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WO2014090963A1 - Dispositif de conditionnement thermique pour vehicule automobile et installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation correspondante - Google Patents

Dispositif de conditionnement thermique pour vehicule automobile et installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation correspondante Download PDF

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Publication number
WO2014090963A1
WO2014090963A1 PCT/EP2013/076443 EP2013076443W WO2014090963A1 WO 2014090963 A1 WO2014090963 A1 WO 2014090963A1 EP 2013076443 W EP2013076443 W EP 2013076443W WO 2014090963 A1 WO2014090963 A1 WO 2014090963A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
refrigerant
air
evaporator
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/076443
Other languages
English (en)
Inventor
Josselin GOUR
Moussa Nacer-Bey
Bernard Aoun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority to DE112013006012.4T priority Critical patent/DE112013006012T5/de
Publication of WO2014090963A1 publication Critical patent/WO2014090963A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H1/00899—Controlling the flow of liquid in a heat pump system
    • B60H1/00914—Controlling the flow of liquid in a heat pump system where the flow direction of the refrigerant does not change and there is a bypass of the condenser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
    • B60H1/00878—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices
    • B60H2001/00942—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being temperature regulating devices comprising a plurality of heat exchangers, e.g. for multi zone heating or cooling

Definitions

  • Thermal conditioning device for a motor vehicle and corresponding heating, ventilation and / or air conditioning system
  • the invention is in the field of heating, ventilation and / or air conditioning of an electric or hybrid motor vehicle.
  • the subject of the invention is a thermal conditioning device cooperating with such an installation.
  • An electric or hybrid motor vehicle whose propulsion is provided at least partially by an electric motor, is commonly equipped with a ventilation, heating and / or air conditioning system to modify the air contained inside the vehicle. interior of the vehicle by delivering a flow of conditioned air inside the passenger compartment.
  • Such an installation generally comprises an air conditioning device comprising an air conditioning loop inside which circulates a refrigerant fluid.
  • the air conditioning circuit or refrigerant circuit comprises a compressor for compressing the refrigerant, a first heat exchanger, a second heat exchanger, and at least one expansion member to allow expansion of the refrigerant.
  • the compressor is able to carry the refrigerant at a high pressure.
  • the first heat exchanger allows a heat transfer between the refrigerant and the ambient air, such as a flow of air outside the vehicle.
  • the second heat exchanger allows a heat exchange between the refrigerant and a flow of air to be delivered inside the passenger compartment that passes through the heat exchanger, thus a flow of air to the passenger compartment.
  • An expansion member allows a relaxation of the refrigerant fluid from the high pressure to a low pressure before evaporation.
  • Refrigerant fluid circuits comprising a so-called internal condenser for heating the flow of air to the passenger compartment.
  • the conditioning device is commonly called direct system.
  • Packaging devices including a circuit are also known secondary heat transfer fluid.
  • the air flow to the passenger compartment is heated by the heat transfer fluid flowing in the secondary circuit.
  • the conditioning device can be controlled according to various modes of operation, such as a heating mode or so-called “heat pump” mode to meet a need for heating the cabin, or a cooling mode to cool the air to the passenger compartment, or a dehumidification mode to dry air to the passenger compartment.
  • a heating mode or so-called "heat pump” mode to meet a need for heating the cabin
  • a cooling mode to cool the air to the passenger compartment
  • a dehumidification mode to dry air to the passenger compartment.
  • This may include a positive temperature coefficient electrical resistance heater, otherwise known as CTP.
  • the evaporator can be covered with frost. This phenomenon is the result of the cooling carried out by the evaporator to dehumidify or cool the flow of air to the passenger compartment.
  • An object of the present invention is to provide a conditioning device allowing a sufficient supply of energy at the heat exchanger for heating the air flow from the evaporator for the dehumidification of the air flow, way to avoid compensating for the cooling by additional heating.
  • Another object of the invention is to control the temperature of the evaporator for dehumidifying the flow of air to the passenger compartment so as to avoid the formation of frost.
  • the subject of the invention is a thermal conditioning device an air flow for a motor vehicle comprising a refrigerant circuit comprising:
  • a first expansion element arranged upstream of the first heat exchanger in a direction of circulation of the refrigerant fluid, configured to lower the pressure of the refrigerant at a first pressure
  • a second heat exchanger arranged so as to condition a flow of air to the passenger compartment of said vehicle
  • the second expansion member is configured to lower the pressure of the refrigerant at a pressure higher than the first pressure and said conditioning device further comprises a third expansion member arranged downstream of the second heat exchanger in the direction of circulation of the refrigerant.
  • the first and second heat exchangers can work in evaporator mode and the device can be implemented according to a dehumidification mode of the air flow to the passenger compartment by cooling the air flow by passing through the air. second evaporator before reheating it for distribution in the cockpit.
  • the double expansion upstream and downstream of the second exchanger makes it possible to have two evaporators working at different pressures.
  • a dehumidification function that consumes less energy can be obtained than in certain conditioning devices of the prior art.
  • By adjusting the pressure of the second evaporator it is possible to control the temperature of this second evaporator, avoiding in certain cases the icing of this evaporator.
  • the conditioning device may further comprise one or more of the following features, taken separately or in combination:
  • the first heat exchanger is a first evaporator and the second heat exchanger is a second evaporator;
  • the second heat exchanger is arranged in the refrigerant circuit in parallel with the first heat exchanger, in terms of fluid circulation;
  • the refrigerant circuit comprises a first connection point arranged upstream of the first and second heat exchangers. This first connection point makes it possible to direct a part of the refrigerant fluid towards the first heat exchanger and another part of the refrigerant fluid towards the second heat exchanger;
  • the refrigerant circuit comprises a second connection point arranged upstream of the compressor in the direction of circulation of the refrigerant. This second connection point gathers the refrigerant at the outlet of the first and second heat exchangers;
  • said device comprises a heat transfer fluid circuit comprising a third heat exchanger arranged downstream of the second heat exchanger in the direction of flow of the air flow to the passenger compartment, so as to condition said air flow to of the cockpit.
  • this third heat exchanger makes it possible to heat the flow of cooled and dry air which has passed through the second heat exchanger working in an evaporator by heat exchange with a hot heat transfer fluid;
  • the coolant circuit and the refrigerant circuit jointly comprise a two-fluid heat exchanger for a heat exchange between the coolant and the coolant,
  • the bi-fluid heat exchanger is arranged upstream of the third heat exchanger of the heat transfer fluid circuit in a direction of circulation of the coolant, so as to be traversed by the heat transfer fluid prior to the passage of the coolant in the third heat exchanger.
  • This bi-fluid heat exchanger makes it possible to heat the heat transfer fluid upstream before being directed into the third heat exchanger.
  • the invention also relates to a heating, ventilation and / or air conditioning comprising a thermal conditioning device of an air flow as defined above.
  • the single figure shows schematically and simplified a conditioning device 1 of a heating, ventilation and / or air conditioning system for a motor vehicle.
  • Such a conditioning device 1 makes it possible to modify the parameters of the air inside the passenger compartment of the vehicle by delivering a flow of air FH inside the passenger compartment.
  • the conditioning device 1 may comprise a blower (not shown) for circulating the flow of air FH for example from an air inlet (not shown) to an air outlet (not shown) in the passenger compartment. It may in particular comprise a defrosting / defogging mouth intended to deliver the flow of air FH to the windshield and / or the front windows of the vehicle.
  • Such a conditioning device 1 can operate in different modes, in particular in heat pump mode to meet a need for heating the passenger compartment, or an air conditioning mode for conditioning the flow of air FH to the passenger compartment of the passenger compartment. vehicle for cooling, or a dehumidification mode to obtain a flow of dry air before distributing it in the passenger compartment.
  • the conditioning device 1 comprises a refrigerant circuit 3, and a coolant circuit 5 such as a mixture of water and glycol.
  • the refrigerant circuit 3 is also called air conditioning loop 3.
  • the refrigerant circuit 3 is shown in dotted lines and the coolant circuit 5 is shown in solid lines.
  • the flow direction of the fluids is schematized by arrows. Of course, the flow direction shown schematically in the figure is illustrative and not limiting.
  • the refrigerant circuit 3 comprises:
  • a first heat exchanger 9 for a heat exchange between the refrigerant and an outside air flow FE
  • a second exchanger 11 arranged so as to condition an air flow FH towards the passenger compartment of the vehicle
  • the refrigerant circuit 3 furthermore comprises, together with the coolant circuit 5, a bi-fluid heat exchanger 19.
  • the heat transfer fluid circuit 5 comprises meanwhile a third heat exchanger 21 arranged to condition the flow of air FH to the passenger compartment and an additional electric heat exchanger 23.
  • the additional heat exchanger electric 23 may allow directly heat the air flow FH.
  • the heat transfer fluid circuit 5 may comprise a pump 25 for the circulation of the coolant.
  • the coolant circuit 5 may also include a control valve 27 for directing the coolant according to the operating mode of the conditioning device 1.
  • the components of the refrigerant circuit 3 are connected to each other by pipes or pipes through which the coolant flows.
  • Respectively the components of the heat transfer fluid circuit 5 are connected to each other by pipes or pipes through which the heat transfer fluid circulates.
  • the compressor 7 receives as input the refrigerant fluid in the gaseous state, or a mixture of gas / liquid, at low pressure PI and low temperature.
  • the compressor 7 therefore comprises an inlet orifice through which the fluid refrigerant enters and an outlet port through which the compressed refrigerant exits.
  • Compression can raise the pressure and temperature of the refrigerant.
  • the pressure P2 of the refrigerant at the outlet of the compressor 7 is therefore greater than the pressure P1 at the inlet of the compressor 7.
  • the refrigerant flows from the compressor 7 via the outlet orifice to a first connection point 29.
  • This first connection point 29 is arranged between the first heat exchanger 9 and the second heat exchanger 11.
  • the first heat exchanger 9 is for example arranged inside the vehicle at the front of the vehicle to be traversed by an air flow FE from the outside of the vehicle. We also talk about external exchanger.
  • the first heat exchanger 9 is an evaporator.
  • the refrigerant evaporates in the first evaporator 9, and by evaporating the refrigerant absorbs heat from the airflow FE passing through the first evaporator 9.
  • a first expansion member 13 is for example arranged in series with the first evaporator 9. More specifically, the first expansion member 13 is arranged in series between the bi-fluid heat exchanger 19 and the first evaporator 9.
  • the refrigerant circulates in series in the first expansion member 13 and then in the first evaporator 9, so as to lower the pressure substantially at the first pressure P1 and the temperature of the refrigerant before evaporation.
  • the first expansion member 13 is a thermostatic expansion valve.
  • the second heat exchanger 11 is a second evaporator 11.
  • the second evaporator is generally described as an "internal evaporator" because it is arranged to exchange calories with the flow of air to be distributed inside the cabin.
  • the coolant entering the second evaporator 11 absorbs the heat of the air flow FH to the passenger compartment by evaporating; which for the effect of cooling the air flow FH.
  • the second evaporator 11 is arranged to allow a circulation of the refrigerant fluid within it substantially parallel to the circulation of the refrigerant in the first evaporator 9.
  • the second evaporator 11 is arranged upstream of the third exchanger 21 of the coolant circuit 5 in the direction of flow of the air flow FH to the passenger compartment of the vehicle shown schematically by arrows on the unique figure.
  • This arrangement is particularly advantageous for dehumidifying the flow of air FH to the passenger compartment by cooling it by passing through the second evaporator 11 before heating it by passing through the third heat exchanger 21.
  • a second expansion member 15 is arranged in series with the second evaporator 11. More specifically, the second expansion member 15 is arranged in series between the bi-fluid heat exchanger 19 and the second evaporator 11.
  • the second expansion member 15 is a thermostatic expansion valve.
  • a third expansion member 17 is also arranged in series with the second evaporator 11. More specifically, the third expansion member 17 is arranged in series between the second evaporator 11 and the compressor 7.
  • the third expansion member 17 is for example a thermostatic expansion valve.
  • the third expansion member 17 may also be an electronically controlled variable expansion valve associated with a valve allowing or not the passage of the cooling fluid, so that the first expansion member 17 is able to prohibit a passage of the refrigerant through it .
  • a circumvention device may be provided
  • Such a bypass device is intended to allow or prohibit a circulation of the refrigerant inside the third expansion member 17.
  • the refrigerant circulates in series in the second expansion member 15 and then in the second evaporator 11 and finally in the third expansion member 17.
  • the refrigerant therefore undergoes a double expansion, a first expansion upstream of the second evaporator 11, and a second expansion downstream of the second evaporator 11.
  • An expansion allows to lower the pressure and temperature of the refrigerant.
  • the first expansion makes it possible to lower the pressure of the coolant entering the second evaporator 11 at a third pressure P3 and the second expansion makes it possible to lower the pressure of the refrigerant again.
  • the third pressure P3 of the second evaporator 11 may therefore be greater than the pressure P1.
  • the expansion upstream of the second evaporator 11 is at a higher pressure than the expansion upstream of the first evaporator 9.
  • the pressure P3 depends on the parameters of the air flow FH to the passenger compartment, including the air flow, the temperature and the hygrometry of the air. A balance is made according to the conditions of use, as an illustrative example if the air flow increases, it causes an increase in pressure P3.
  • the pressure range P3 is for example between 3 and 4 bar.
  • a temperature sensor (not shown) at the outlet of the second evaporator 11. Depending on the temperature measured, it is possible to slave the pressure of the second evaporator 11, so as to allow sufficient condensation of the liquid contained in the air to dehumidify the airflow to the passenger compartment FH.
  • the refrigerant circuit 3 further comprises a second connection point 31 which collects the refrigerant fluid at the outlet of the first evaporator 9 and at the outlet of the second evaporator 11 to channel it towards the compressor 7.
  • the bi-fluid heat exchanger 19 is a condenser 19.
  • the condenser 19 is arranged at the outlet of the compressor 7.
  • the condenser 19 receives the fluid refrigerant in the form of hot gas which gives heat to the coolant. Since the coolant is, for example, water, the condenser 19 is commonly called a water condenser.
  • a refrigerant storage cylinder 20 may be provided in series with the condenser 19.
  • the storage bottle 20 stores the liquid coolant to compensate for any volume changes.
  • the storage bottle 20 can be integral with the condenser 19 or in series between the condenser 19 and the first connection point 29.
  • the third heat exchanger 21 makes it possible, in particular in a dehumidification mode, to heat the flow of air to the passenger compartment FH having passed through the second evaporator 11. This concerns, for example, a radiator commonly called “heater core” in English.
  • an additional electric heat exchanger 23 in series can be provided between the condenser 19 and the third heat exchanger 21.
  • the additional electric heat exchanger 23 is arranged downstream of the condenser 19 and upstream of the condenser 19.
  • third heat exchanger 21 in the direction of flow of the heat transfer fluid in dehumidification mode.
  • an additional heat exchanger for example by electrical resistance with a positive temperature coefficient CTP, arranged to heat the flow of air FH to the passenger compartment.
  • the refrigerant in the form of hot gas high pressure and high temperature at the outlet of the compressor 7 enters the bi-fluid exchanger 19 or condenser 19, so as to heat the heat transfer fluid flowing in the coolant circuit 5 Indeed, in the condenser 19, the coolant transfers heat to the heat transfer fluid; the latter heated up returns to the third exchanger 21.
  • the coolant can circulate in the additional electric heat exchanger 23 upstream of the third exchanger 21 to be heated again.
  • the coolant is divided at the first connection point 29; a part of the coolant is directed towards the first evaporator 9 and another part of the refrigerant to the second evaporator 11.
  • the circulation of the coolant only in the second evaporator 11 is possible.
  • the portion of the refrigerant fluid directed towards the first evaporator 9 undergoes a relaxation which lowers its pressure and its temperature before passing into the first evaporator 9.
  • the refrigerant then evaporates by absorbing the heat of the outside air flow FE which cross it.
  • calories are recovered at the level of the outside air flow FE. This makes it possible to recover sufficient energy added to the energy of the compressor to heat the coolant at the condenser 19 and thus to improve the energy supplied at the third exchanger 21 to heat the air flow FH to the cockpit.
  • the portion of the coolant towards the second evaporator 11 undergoes a first expansion which lowers its pressure and temperature before passing into the second evaporator 11, so as to cool the air flow FH upstream to of the cockpit.
  • This expansion is carried out at a higher pressure P3 than the expansion upstream of the first evaporator 9.
  • the refrigerant then evaporates by absorbing the heat of the flow of air FH through it.
  • the flow of air to the passenger compartment FH passing through the second evaporator 11 is thereby cooled and thus dehumidified before possibly passing through the third heat exchanger 21, to be heated before opening into the passenger compartment.
  • the entire flow of air to the passenger compartment FH having passed through the second evaporator 11 passes through the following the third heat exchanger 21 to be heated.
  • the two parts of the heated and unheated air flow FH are then mixed before being distributed in the passenger compartment.
  • This alternative may be advantageous when the flow of air to the passenger compartment must not be overheated, for example when the air is not very humid and the temperature for example of the order of 15 ° C.
  • the refrigerant fluid undergoes a second expansion so as to lower the pressure of the refrigerant again.
  • the refrigerant can then return to the compressor 7 to restart a refrigerant cycle.
  • the pressures of the refrigerant at the outlet of the first evaporator 9 and the refrigerant at the outlet of the second evaporator 11 after the second expansion in the third expansion member 17 are balanced.
  • the double expansion upstream and downstream of the second evaporator 11 allows the second evaporator 11 to be at a higher pressure than the first evaporator 9.
  • the equilibrium of the pressures between the refrigerant fluids leaving the two evaporators is after the second evaporator expansion downstream of the second evaporator 11. This higher pressure of the second evaporator 11 allows better control of the temperature of the second evaporator 11.
  • the conditioning device 1 can recover enough energy to heat the air flow to the passenger compartment at the third heat exchanger 21 of the coolant circuit 5 of the refrigerant circuit 3. It is therefore not necessary to provide additional heating, for example in the form of electrical resistance, to complete the heating of the air flow to the passenger compartment FH.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de conditionnement thermique d'un flux d'air pour véhicule automobile comportant un circuit de fluide réfrigérant (3) comprenant : - un compresseur (7), - un premier échangeur thermique (9), - un premier organe de détente (13) en amont du premier échangeur (9) selon un sens de circulation du fluide réfrigérant, pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une première pression (P1), - un deuxième échangeur thermique (11) pour conditionner un flux d'air à destination de l'habitacle (FH) dudit véhicule, - un deuxième organe de détente (15) en amont du deuxième échangeur (11) selon le sens de circulation du fluide réfrigérant, configuré pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une pression (P3) supérieure à la première pression (P1), et - un troisième organe de détente (17) agencé en aval du deuxième échangeur (11) selon le sens de circulation du fluide réfrigérant.

Description

Dispositif de conditionnement thermique pour véhicule automobile et installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation correspondante
L'invention est du domaine des installations de chauffage, de ventilation et/ou de climatisation d'un véhicule automobile électrique ou hybride. L'invention a pour objet un dispositif de conditionnement thermique coopérant avec une telle installation.
Un véhicule automobile électrique ou hybride, dont la propulsion est assurée au moins partiellement par un moteur électrique, est couramment équipé d'une installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour modifier l'air contenu à l'intérieur de l'habitacle du véhicule en délivrant un flux d'air conditionné à l'intérieur de l'habitacle.
Une telle installation comprend généralement un dispositif de conditionnement d'air comprenant une boucle de climatisation à l'intérieur de laquelle circule un fluide réfrigérant.
De façon traditionnelle, la boucle de climatisation ou circuit de fluide réfrigérant comprend un compresseur pour comprimer le fluide réfrigérant, un premier échangeur thermique, un deuxième échangeur thermique, et au moins un organe de détente pour permettre une détente du fluide réfrigérant.
Le compresseur est apte à porter le fluide réfrigérant à une haute pression.
Le premier échangeur thermique permet un transfert thermique entre le fluide réfrigérant et l'air ambiant, tel qu'un flux d'air extérieur au véhicule.
Le deuxième échangeur thermique permet un échange thermique entre le fluide réfrigérant et un flux d'air destiné à être délivré à l'intérieur de l'habitacle qui traverse l'échangeur thermique, donc un flux d'air à destination de l'habitacle. Un organe de détente permet une détente du fluide réfrigérant depuis la haute pression vers une basse pression avant une évaporation.
On connaît des circuits de fluide réfrigérant comprenant un condenseur dit interne permettant de réchauffer le flux d'air à destination de l'habitacle. Dans ce cas le dispositif de conditionnement est couramment appelé système direct.
On connaît aussi des dispositifs de conditionnement comprenant un circuit secondaire de fluide caloporteur. Dans ce cas le flux d'air à destination de l'habitacle est réchauffé par le fluide caloporteur circulant dans le circuit secondaire. On parle dans ce cas de système indirect.
Le dispositif de conditionnement peut être piloté selon divers modes de fonctionnement, tels qu'un mode de chauffage ou mode dit « pompe à chaleur » permettant de répondre à un besoin de chauffage de l'habitacle, ou un mode climatisation pour rafraîchir l'air à destination de l'habitacle, ou encore un mode déshumidification permettant d'assécher l'air à destination de l'habitacle.
Pour déshumidifier le flux d'air, il est connu de le refroidir par passage dans un évaporateur et éventuellement de le réchauffer avant de déboucher dans l'habitacle par passage à travers le condenseur interne du circuit de fluide réfrigérant ou un échangeur thermique dans lequel circule un fluide caloporteur chaud.
Afin de compenser le refroidissement du flux d'air à destination de l'habitacle, lors du passage dans l'évaporateur, certaines solutions de l'art antérieur proposent un échangeur thermique additionnel électrique permettant de réajuster le chauffage du flux d'air.
Il peut s'agir notamment d'un chauffage par résistance électrique à coefficient de température positif, autrement appelé CTP.
En outre, selon des conditions climatiques particulières l'évaporateur peut être recouvert de givre. Ce phénomène est le résultat du refroidissement opéré par l'évaporateur pour déshumidifier ou refroidir le flux d'air à destination de l'habitacle.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de conditionnement permettant un apport d'énergie suffisant au niveau de l'échangeur thermique permettant le chauffage du flux d'air provenant de l'évaporateur pour la déshumidification du flux d'air, de façon à éviter de compenser le refroidissement par un chauffage additionnel.
Un autre but de l'invention est de contrôler la température de l'évaporateur permettant de déshumidifier le flux d'air à destination de l'habitacle de façon à éviter la formation de givre. À cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de conditionnement thermique d'un flux d'air pour véhicule automobile comportant un circuit de fluide réfrigérant comprenant :
- un compresseur,
- au moins un premier échangeur thermique avec un flux d'air extérieur,
- un premier organe de détente agencé en amont du premier échangeur thermique selon un sens de circulation du fluide réfrigérant, configuré pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une première pression,
- un deuxième échangeur thermique agencé de manière à conditionner un flux d'air à destination de l'habitacle dudit véhicule, et
- un deuxième organe de détente agencé en amont du deuxième échangeur thermique selon le sens de circulation du fluide réfrigérant,
caractérisé en ce que le deuxième organe de détente est configuré pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une pression supérieure à la première pression et ledit dispositif de conditionnement comporte en outre un troisième organe de détente agencé en aval du deuxième échangeur thermique selon le sens de circulation du fluide réfrigérant.
Avec cette architecture, les premier et deuxième échangeurs thermiques peuvent travailler en mode évaporateur et le dispositif peut être mis en œuvre selon un mode de déshumidification du flux d'air à destination de l'habitacle en refroidissant le flux d'air par passage dans le deuxième évaporateur avant de le réchauffer pour le distribuer dans l'habitacle.
La double détente en amont et en aval du deuxième échangeur permet d'avoir deux évaporateurs travaillant à pressions différentes. En jouant sur la pression des évaporateurs on peut obtenir une fonction de déshumidification consommant moins d'énergie que dans certains dispositifs de conditionnement de l'art antérieur. En jouant sur la pression du deuxième évaporateur, on peut contrôler la température de ce deuxième évaporateur, évitant dans certains cas le givrage de cet évaporateur.
Le dispositif de conditionnement peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison :
- le premier échangeur thermique est un premier évaporateur et le deuxième échangeur thermique est un deuxième évaporateur ;
- le deuxième échangeur thermique est agencé dans le circuit de fluide réfrigérant en parallèle du premier échangeur thermique, en terme de circulation de fluide ;
- le circuit de fluide réfrigérant comprend un premier point de raccordement agencé en amont du premier et du deuxième échangeurs thermiques. Ce premier point de raccordement permet de diriger une partie du fluide réfrigérant vers le premier échangeur thermique et une autre partie du fluide réfrigérant vers le deuxième échangeur thermique ;
- le circuit de fluide réfrigérant comprend un deuxième point de raccordement agencé en amont du compresseur selon le sens de circulation du fluide réfrigérant. Ce deuxième point de raccordement rassemble le fluide réfrigérant en sortie des premier et deuxième échangeurs thermiques ;
- ledit dispositif comprend un circuit de fluide caloporteur comprenant un troisième échangeur thermique agencé en aval du deuxième échangeur thermique selon le sens d'écoulement du flux d'air à destination de l'habitacle, de manière à conditionner ledit flux d'air à destination de l'habitacle. En particulier ce troisième échangeur thermique permet de réchauffer le flux d'air refroidi et sec ayant traversé le deuxième échangeur thermique travaillant en évaporateur par échange thermique avec un fluide caloporteur chaud ;
- le circuit de fluide caloporteur et le circuit de fluide réfrigérant comprennent conjointement un échangeur thermique bi-fluide pour un échange thermique entre le fluide réfrigérant et le fluide caloporteur,
- l'échangeur thermique bi-fluide est agencé en amont du troisième échangeur thermique du circuit de fluide caloporteur selon un sens de circulation du fluide caloporteur, de façon à être traversé par le fluide caloporteur préalablement au passage du fluide caloporteur dans le troisième échangeur. Cet échangeur thermique bi-fluide permet de chauffer le fluide caloporteur en amont avant d'être dirigé dans le troisième échangeur thermique. L'invention concerne également une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation comportant un dispositif de conditionnement thermique d'un flux d'air tel que défini précédemment.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et de la figure unique représentant de façon schématique un dispositif de conditionnement pour véhicule automobile selon l'invention.
La figure unique représente de façon schématique et simplifiée un dispositif de conditionnement 1 d'une installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation pour véhicule automobile.
Un tel dispositif de conditionnement 1 permet de modifier les paramètres de l'air à l'intérieur de l'habitacle du véhicule en délivrant un flux d'air FH à l'intérieur de l'habitacle.
À cet effet, le dispositif de conditionnement 1 peut comprendre un pulseur (non représenté) pour faire circuler le flux d'air FH par exemple depuis une bouche d'admission d'air (non représentée) vers une bouche de délivrance d'air (non représentée) dans l'habitacle. Il peut notamment comprendre une bouche de dégivrage/désembuage destinée à délivrer le flux d'air FH vers le pare-brise et/ou les vitres avant du véhicule.
Un tel dispositif de conditionnement 1 peut fonctionner selon différents modes, notamment en mode pompe à chaleur pour répondre à un besoin de chauffage de l'habitacle, ou un mode climatisation permettant de conditionner le flux d'air FH à destination de l'habitacle du véhicule pour le rafraîchir, ou encore un mode déshumidification pour obtenir un flux d'air sec avant de le distribuer dans l'habitacle.
Selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure unique, le dispositif de conditionnement 1 comporte un circuit de fluide réfrigérant 3, et un circuit de fluide caloporteur 5 tel qu'un mélange d'eau et de glycol. Le circuit de fluide réfrigérant 3 est aussi appelé boucle de climatisation 3. Sur la figure unique, le circuit du fluide réfrigérant 3 est représenté en pointillés et le circuit du fluide caloporteur 5 est représenté en traits pleins. Le sens de circulation des fluides est schématisé par des flèches. Bien entendu, le sens de circulation schématisé sur la figure est à titre illustratif et non limitatif.
Selon le mode de réalisation illustré, le circuit de fluide réfrigérant 3 comprend :
- un compresseur 7,
- un premier échangeur 9 thermique, pour un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et un flux d'air extérieur FE,
- un deuxième échangeur 11 agencé de manière à conditionner un flux d'air FH à destination de l'habitacle du véhicule,
- au moins un organe de détente 13, 15, 17.
Le circuit de fluide réfrigérant 3 comporte en outre conjointement avec le circuit de fluide caloporteur 5 un échangeur thermique bi-fluide 19.
Le circuit de fluide caloporteur 5 comporte quant à lui un troisième échangeur thermique 21 agencé de manière à conditionner le flux d'air FH à destination de l'habitacle et un échangeur thermique additionnel électrique 23. L'échangeur thermique additionnel électrique 23 peut permettre de chauffer directement le flux d'air FH.
En outre, le circuit de fluide caloporteur 5 peut comporter une pompe 25 pour la circulation du fluide caloporteur. Le circuit de fluide caloporteur 5 peut aussi comporter une vanne de commande 27 permettant de diriger le fluide caloporteur selon le mode de fonctionnement du dispositif de conditionnement 1.
Les composants du circuit de fluide réfrigérant 3 sont raccordés les uns aux autres par des conduites ou canalisations à travers lesquelles le fluide réfrigérant circule.
Respectivement les composants du circuit de fluide caloporteur 5 sont raccordés les uns aux autres par des conduites ou canalisations à travers lesquelles le fluide caloporteur circule.
En fonctionnement, le compresseur 7 reçoit en entrée le fluide réfrigérant à l'état gazeux, ou un mélange de gaz/liquide, sous basse pression PI et basse température.
Le compresseur 7 comprend donc un orifice d'entrée par lequel le fluide réfrigérant rentre et un orifice de sortie par lequel le fluide réfrigérant comprimé sort.
La compression permet d'élever la pression et la température du fluide réfrigérant. La pression P2 du fluide réfrigérant en sortie du compresseur 7 est donc supérieure à la pression PI en entrée du compresseur 7.
Le fluide réfrigérant sort du compresseur 7 via l'orifice de sortie vers un premier point de raccordement 29. Ce premier point de raccordement 29 est agencé entre le premier échangeur thermique 9 et le deuxième échangeur thermique 11.
Le premier échangeur thermique 9 est par exemple agencé à l'intérieur du véhicule au niveau de la face avant du véhicule pour être traversé par un flux d'air FE en provenance de l'extérieur du véhicule. On parle également d'échangeur externe.
Selon le mode de réalisation décrit le premier échangeur thermique 9 est un évaporateur. En fonctionnement, le fluide réfrigérant s'évapore dans le premier évaporateur 9, et en s'évaporant le fluide réfrigérant absorbe la chaleur du flux d'air FE traversant le premier évaporateur 9.
Un premier organe de détente 13 est par exemple agencé en série avec le premier évaporateur 9. Plus précisément, le premier organe de détente 13 est agencé en série entre l'échangeur thermique bi-fluide 19 et le premier évaporateur 9.
En particulier, dans un mode déshumidification du flux d'air FH à destination de l'habitacle décrit par la suite, le fluide réfrigérant circule en série dans le premier organe de détente 13 puis dans le premier évaporateur 9, de façon à abaisser la pression sensiblement à la première pression PI et la température du fluide réfrigérant avant l'évaporation.
À titre d'exemple, le premier organe de détente 13 est un détendeur thermo statique.
En ce qui concerne le deuxième échangeur 11, selon le mode de réalisation décrit il s'agit d'un deuxième évaporateur 11. Le deuxième évaporateur est généralement qualifié d' « évaporateur interne » du fait qu'il est agencé pour échanger des calories avec le flux d'air devant être distribué à l'intérieur de l'habitacle.
En fonctionnement, le fluide réfrigérant entrant dans le deuxième évaporateur 11 absorbe la chaleur du flux d'air FH à destination de l'habitacle en s'évaporant ; ce qui a pour effet de refroidir le flux d'air FH.
Le deuxième évaporateur 11 est agencé de façon à permettre une circulation du fluide réfrigérant en son sein sensiblement parallèle à la circulation du fluide réfrigérant dans le premier évaporateur 9.
De plus, le deuxième évaporateur 11 est agencé en amont du troisième échangeur 21 du circuit de fluide caloporteur 5 dans le sens d'écoulement du flux d'air FH à destination de l'habitacle du véhicule représenté de façon schématique par des flèches sur la figure unique.
Cet agencement est en particulier intéressant pour déshumidifier le flux d'air FH à destination de l'habitacle en le refroidissant par passage dans le deuxième évaporateur 11 avant de le chauffer par passage dans le troisième échangeur thermique 21.
Par ailleurs, un deuxième organe de détente 15 est agencé en série avec le deuxième évaporateur 11. Plus précisément, le deuxième organe de détente 15 est agencé en série entre l'échangeur thermique bi-fluide 19 et le deuxième évaporateur 11.
À titre d'exemple, le deuxième organe de détente 15 est un détendeur thermo statique.
Un troisième organe de détente 17 est également agencé en série avec le deuxième évaporateur 11. Plus précisément, le troisième organe de détente 17 est agencé en série entre le deuxième évaporateur 11 et le compresseur 7.
Le troisième organe de détente 17 est par exemple un détendeur thermo statique.
Le troisième organe de détente 17 peut aussi être un détendeur variable à commande électronique associé à une valve autorisant ou non le passage du fluide réfrigérant, de telle sorte que le premier organe de détente 17 est apte à interdire un passage du fluide réfrigérant à son travers.
En variante ou en complément, on peut prévoir un dispositif de contournement
(non représenté) en parallèle du troisième organe de détente 17, de façon à former un by-pass pour que le fluide réfrigérant ne subisse pas de détente. Un tel dispositif de contournement est destiné à autoriser ou interdire une circulation du fluide réfrigérant à l'intérieur du troisième organe de détente 17.
En particulier, dans un mode de déshumidification, le fluide réfrigérant circule en série dans le deuxième organe de détente 15 puis dans le deuxième évaporateur 11 et enfin dans le troisième organe de détente 17. Le fluide réfrigérant subit donc une double détente, une première détente en amont du deuxième évaporateur 11, et une deuxième détente en aval du deuxième évaporateur 11.
Une détente permet d'abaisser la pression et la température du fluide réfrigérant.
La première détente permet d'abaisser la pression du fluide réfrigérant entrant dans le deuxième évaporateur 11 à une troisième pression P3 et la deuxième détente permet d'abaisser la pression du fluide réfrigérant de nouveau.
La troisième pression P3 du deuxième évaporateur 11 peut donc être supérieure à la pression Pl. Ainsi, dans le mode déshumidification la détente en amont du deuxième évaporateur 11 se fait à pression plus élevée que la détente en amont du premier évaporateur 9.
La pression P3 dépend des paramètres du flux d'air FH à destination de l'habitacle, notamment le débit d'air, la température et l'hygrométrie de l'air. Un équilibre se fait en fonction des conditions d'utilisation, à titre d'exemple illustratif si le débit d'air augmente, cela provoque une augmentation de la pression P3.
Pour le mode de déshumidification, la plage de pression P3 est par exemple comprise entre 3 et 4 bars.
Par ailleurs, on peut prévoir un capteur de température (non représenté) en sortie du deuxième évaporateur 11. En fonction de la température relevée, on peut prévoir d'asservir la pression du deuxième évaporateur 11, de façon à permettre une condensation suffisante du liquide contenu dans l'air pour déshumidifier le flux d'air à destination de l'habitacle FH.
Le circuit de fluide réfrigérant 3 comprend en outre un deuxième point de raccordement 31 qui rassemble le fluide réfrigérant en sortie du premier évaporateur 9 et en sortie du deuxième évaporateur 11 pour le canaliser vers le compresseur 7.
Par ailleurs, selon le mode de réalisation décrit, l'échangeur thermique bi-fluide 19 est un condenseur 19.
Selon l'agencement représenté sur la figure unique, le condenseur 19 est agencé en sortie du compresseur 7. En fonctionnement, le condenseur 19 reçoit le fluide réfrigérant sous forme de gaz chaud qui cède de la chaleur au fluide caloporteur. Le fluide caloporteur étant par exemple de l'eau, le condenseur 19 est communément appelé condenseur à eau. Une bouteille de stockage 20 du fluide réfrigérant peut être prévue en série avec le condenseur 19. La bouteille de stockage 20 permet de stocker le fluide réfrigérant liquide afin de compenser d'éventuelles variations de volume. La bouteille de stockage 20 peut être solidaire avec le condenseur 19 ou en série entre le condenseur 19 et le premier point de raccordement 29..
Concernant le circuit de fluide caloporteur 5, le troisième échangeur thermique 21 permet, en particulier dans un mode déshumidification, de chauffer le flux d'air à destination de l'habitacle FH ayant traversé le deuxième évaporateur 11. Il s'agit par exemple d'un radiateur couramment appelé « heater core » en anglais.
De plus, comme dit précédemment, on peut prévoir un échangeur thermique additionnel électrique 23 en série entre le condenseur 19 et le troisième échangeur thermique 21. En particulier, l'échangeur thermique additionnel électrique 23 est agencé en aval du condenseur 19 et en amont du troisième échangeur thermique 21, dans le sens d'écoulement du fluide caloporteur en mode déshumidification.
Bien entendu, on pourrait aussi prévoir un échangeur thermique additionnel, par exemple par résistance électrique à coefficient de température positif CTP, agencé pour réchauffer le flux d'air FH à destination de l'habitacle.
On décrit maintenant plus en détail le pilotage du dispositif de conditionnement 1 selon un mode déshumidification permettant de déshumidifier le flux d'air FH à destination de l'habitacle en le refroidissant avant que ce flux d'air FH ne traverse le troisième échangeur 21 du circuit de fluide caloporteur 5 pour être réchauffé.
Pour ce faire, le fluide réfrigérant sous forme de gaz chaud haute pression et haute température en sortie du compresseur 7 entre dans l'échangeur bi-fluide 19 ou condenseur 19, de façon à réchauffer le fluide caloporteur circulant dans le circuit de fluide caloporteur 5. En effet, dans le condenseur 19, le fluide réfrigérant cède de la chaleur au fluide caloporteur ; ce dernier réchauffé retourne dans le troisième échangeur 21. Le fluide caloporteur peut circuler dans l'échangeur thermique additionnel électrique 23 en amont du troisième échangeur 21 pour être de nouveau chauffé.
En parallèle, après avoir circulé dans le condenseur 19, le fluide réfrigérant est divisé au premier point de raccordement 29 ; une partie du fluide réfrigérant est dirigée vers le premier évaporateur 9 et une autre partie du fluide réfrigérant vers le deuxième évaporateur 11. Bien entendu, la circulation du fluide réfrigérant seulement dans le deuxième évaporateur 11 est envisageable.
La partie du fluide réfrigérant se dirigeant vers le premier évaporateur 9 subit une détente qui abaisse sa pression et sa température avant de passer dans le premier évaporateur 9. Le fluide réfrigérant s'évapore alors en absorbant la chaleur du flux d'air extérieur FE qui le traverse. On récupère ainsi des calories au niveau du flux d'air extérieur FE. Ceci permet de récupérer une énergie suffisante additionnée à l'énergie du compresseur pour réchauffer le fluide caloporteur au niveau du condenseur 19 et donc améliorer l'énergie apportée au niveau du troisième échangeur 21 pour chauffer le flux d'air FH à destination de l'habitacle.
De façon similaire, la partie du fluide réfrigérant se dirigeant vers le deuxième évaporateur 11 subit une première détente qui abaisse sa pression et sa température avant de passer dans le deuxième évaporateur 11, de façon à refroidir en amont le flux d'air FH à destination de l'habitacle. Cette détente s'effectue à pression P3 plus élevée que la détente en amont du premier évaporateur 9.
Le fluide réfrigérant s'évapore alors en absorbant la chaleur du flux d'air FH qui le traverse. Le flux d'air à destination de l'habitacle FH passant dans le deuxième évaporateur 11 est de la sorte refroidi et donc déshumidifié avant de passer éventuellement à travers le troisième échangeur thermique 21, pour être chauffé avant de déboucher dans l'habitacle.
Dans ce cas, on parle de système indirect car le chauffage du flux d'air à destination de l'habitacle FH est effectué via le fluide caloporteur circulant dans le circuit de fluide caloporteur 5 et non directement par le fluide réfrigérant.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure unique, la totalité du flux d'air à destination de l'habitacle FH ayant traversé le deuxième évaporateur 11 traverse par la suite le troisième échangeur thermique 21 pour être réchauffé.
Selon une alternative, on peut prévoir qu'une partie du flux d'air FH en sortie du deuxième évaporateur 11 traverse par la suite le troisième échangeur thermique 21 et qu'une autre partie du flux d'air FH ne traverse pas le troisième échangeur thermique 21. Les deux parties du flux d'air FH réchauffé et non réchauffé sont ensuite mélangées avant d'être distribuées dans l'habitacle. Cette alternative peut être intéressante lorsque le flux d'air à destination de l'habitacle ne doit pas être trop réchauffé, par exemple lorsque l'air est peu humide et la température par exemple de l'ordre de 15°C.
Par ailleurs, en sortie du deuxième évaporateur 11, le fluide réfrigérant subit une deuxième détente de façon à abaisser de nouveau la pression du fluide réfrigérant.
Le fluide réfrigérant peut ensuite retourner dans le compresseur 7 pour recommencer un cycle réfrigérant. Au deuxième point de raccordement 31 en amont du compresseur 7, les pressions du fluide réfrigérant en sortie du premier évaporateur 9 et du fluide réfrigérant en sortie du deuxième évaporateur 11 après la deuxième détente dans le troisième organe de détente 17 s'équilibrent.
Ainsi, la double détente en amont et en aval du deuxième évaporateur 11 permet que le deuxième évaporateur 11 soit à pression plus élevée que le premier évaporateur 9. L'équilibre des pressions entre les fluides réfrigérants en sortie des deux évaporateurs se fait après la deuxième détente en aval du deuxième évaporateur 11. Cette pression plus élevée du deuxième évaporateur 11 permet un meilleur contrôle de la température du deuxième évaporateur 11.
En jouant sur les pressions des évaporateurs 9, 11, le dispositif de conditionnement 1 permet de récupérer suffisamment d'énergie pour chauffer le flux d'air à destination de l'habitacle au niveau du troisième échangeur thermique 21 du circuit de fluide caloporteur 5 du circuit de fluide réfrigérant 3. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un chauffage additionnel, par exemple sous la forme de résistance électrique, pour compléter le chauffage du flux d'air à destination de l'habitacle FH.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de conditionnement thermique d'un flux d'air pour véhicule automobile comportant un circuit de fluide réfrigérant (3) comprenant : - un compresseur (7),
- au moins un premier échangeur thermique (9) avec un flux d'air extérieur (FE),
- un premier organe de détente (13) agencé en amont du premier échangeur thermique (9) selon un sens de circulation du fluide réfrigérant, configuré pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une première pression (PI), - un deuxième échangeur thermique (11) agencé de manière à conditionner un flux d'air à destination de l'habitacle (FH) dudit véhicule, et
- un deuxième organe de détente (15) agencé en amont du deuxième échangeur thermique (11) selon le sens de circulation du fluide réfrigérant, caractérisé en ce que le deuxième organe de détente est configuré pour abaisser la pression du fluide réfrigérant à une pression (P3) supérieure à la première pression (PI) et ledit dispositif de conditionnement comporte en outre un troisième organe de détente (17) agencé en aval du deuxième échangeur thermique (11) selon le sens de circulation du fluide réfrigérant.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier échangeur thermique est un premier évaporateur (9) et le deuxième échangeur thermique est un deuxième évaporateur (11).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le deuxième échangeur thermique (11) est agencé dans le circuit de fluide réfrigérant (3) en parallèle du premier échangeur thermique (9)
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de fluide réfrigérant comprend un premier point de raccordement (29) agencé en amont du premier (9) et du deuxième (11) échangeurs thermiques.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le circuit de fluide réfrigérant comprend un deuxième point de raccordement (31) agencé en amont du compresseur (7) selon le sens de circulation du fluide réfrigérant.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit de fluide caloporteur (5) comprenant un troisième échangeur thermique (21) agencé en aval du deuxième échangeur thermique (11) selon le sens d'écoulement du flux d'air à destination de l'habitacle (FH), de manière à conditionner ledit flux d'air à destination de l'habitacle.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le circuit de fluide caloporteur (5) et le circuit de fluide réfrigérant (3) comprennent conjointement un échangeur thermique bi-fluide (19) pour un échange thermique entre le fluide réfrigérant et le fluide caloporteur.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel l'échangeur thermique bi-fluide (19) est agencé en amont du troisième échangeur thermique (21) du circuit de fluide caloporteur (5) selon un sens de circulation du fluide caloporteur.
9. Installation de chauffage, ventilation et/ou climatisation caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de conditionnement thermique (1) d'un flux d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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