FR2867261A1 - Vanne de detente et procede pour sa commande - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une vanne de détente et un procédé pour la commande d'une vanne de détente, dans lequel le mouvement d'ouverture et de fermeture de l'organe de fermeture de vanne (39) est réglé en fonction de la différence de pression qui existe entre un côté haute pression sur une ouverture d'entrée (34) et un côté basse pression sur une ouverture de sortie (37). L'invention est destinée en particulier au circuit de réfrigérant d'installations de climatisation de véhicules.

Description

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Vanne de détente et procédé pour sa commande La présente invention concerne une vanne de détente et un procédé pour sa commande, en particulier dans des installations de climatisation utilisant du CO2 comme réfrigérant, qui comprend un boîtier de vanne avec une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie et avec un organe de vanne qui peut être déplacé depuis un siège de vanne d'un passage, qui est placé entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie, afin de faire passer le réfrigérant.

Pour les circuits de réfrigérant de climatisations des futurs véhicules, on utilise de préférence du dioxyde de carbone (CO2) comme réfrigérant, car cette substance garantit une grande sécurité en cas d'accident, en raison de son caractère ininflammable, et car il n'est pas considéré comme un polluant pour l'environnement. Contrairement aux circuits réfrigérant au R134a, les circuits réfrigérants au CO2 peuvent également fonctionner dans le domaine surcritique.

On connaît par le DE 100 12 714 Al, une vanne de détente qui est utilisée dans des circuits de climatisation de climatisations au CO2. Cette vanne de détente présente une ouverture à étranglement avec une section fixe, afin de transférer le fluide réfrigérant du côté haute pression au côté basse pression en vue d'une détente de pression. Cette section est toujours ouverte pour l'écoulement. Dès qu'une surpression apparaît du côté haute pression dans le circuit de réfrigérant, on ouvre une vanne de dérivation montée en parallèle avec l'ouverture à étranglement, de telle sorte que la surpression dépassant la haute pression optimale est relaxée. La vanne de dérivation ne s'ouvre que lorsqu'on dépasse un seuil prédéterminé du côté haute pression.

Cet agencement garantit une configuration fiable d'une vanne de détente, mais il est nécessaire d'adapter le seuil et le diamètre de l'orifice à chaque climatisation pour obtenir un coefficient de performances maximal sur toute la plage d'utilisation de la climatisation.

On connaît par le DE 102 19 667 Al, une vanne de détente à régulation électronique, qui présente un dispositif à commande électrique pour déplacer un organe de vanne, dans laquelle il est prévu sur ce premier point d'étranglement un autre point d'étranglement monté en série, dont la section de passage est réglable de manière couplée à la section de passage du premier point d'étranglement. Du fait de ce montage l'un derrière l'autre d'au 2867261 2 moins deux points d'étranglement, dont au moins l'un peut être commandé par une vanne magnétique électrique, la différence de pression sur chaque point d'étranglement est plus faible que dans le cas d'un seul point d'étranglement. La précision de régulation s'en trouve augmentée. En particulier, les différences apparaissant dans la différence de pres- sion entre été et hiver peuvent être compensées.

Cette solution présente cependant l'inconvénient de demander une construction complexe. La commande de la vanne magnétique nécessite d'utiliser un capteur de pression et de température, ou un boîtier de commande à logiciel sur le circuit de régulation, ce qui rend complexes la fabrication et le montage de cette vanne d'expansion.

L'objectif de la présente invention est donc de proposer une vanne de détente ainsi qu'un procédé de commande de la vanne d'expansion, qui soit d'une fabrication et d'un montage peu coûteux, ainsi que de permettre une commande simple pour l'exploitation du circuit de réfrigérant, dans lequel une haute pression optimale est largement présente avant la vanne d'expansion.

Selon la présente invention, cet objectif est atteint par un procédé pour commander une vanne d'expansion, en particulier pour des climatisations de véhicules utilisant du CO2 comme réfrigérant, avec un boîtier de vanne dans lequel, côté haute pression, une pression d'entrée est présente sur une ouverture d'entrée et, côté basse pression, une pression de sortie est présente sur une ouverture de sortie, avec un organe de fermeture de vanne qui est déplacé dans la direction d'ouverture depuis un siège de vanne d'un passage, qui est placé entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie, pour faire passer le réfrigérant, caractérisé en ce qu'en fonction de la valeur d'une différence de pression entre la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée et la pression de sortie sur l'ouverture de sortie, un tronçon du mouvement d'ouverture ou de fermeture de l'organe de fermeture de vanne est commandé sur une plage à réguler au moins partiellement..

Selon la présente invention, la différence de pression entre la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée du côté haute pression et la pression de sortie sur l'ouverture de sortie du côté basse pression du circuit de réfrigérant est mise à profit pour commander le mouvement d'ouverture ou de fermeture de l'organe de vanne. Les conditions de pression régnant réellement dans le circuit de réfrigérant sont utilisées ici pour provoquer une ouverture et fermeture de l'organe de vanne, un écoulement massique à travers la vanne de détente étant ainsi commandé.

Pour les températures ambiantes faibles, par exemple en automne et en hiver, la haute pression à l'entrée de la vanne de détente est comprise entre 50 et 70 bar, tandis qu'en été, les hautes températures ambiantes rendent nécessaire une haute pression de 100 à 120 bar.

La basse pression reste comprise entre 35 et 45 bar en hiver comme en été. Grâce à la commande précise de l'organe de fermeture de la vanne par l'intermédiaire de la différence 2867261 3 de pression, il se produit, indépendamment des pressions absolues à l'entrée de la vanne de détente, un dosage énergétiquement optimal de l'écoulement massique de réfrigérant.

D'après une variante avantageuse de l'invention, il est prévu qu'une section d'ouverture entre l'organe de fermeture de vanne et le siège de vanne varie de manière continue en fonction de la différence de pression. La modification de la différence de pression se répercute directement sur la modification de la section d'ouverture de la vanne, de telle sorte qu'on dispose d'une commande directe de l'écoulement de matière. La chute de pression sur toute la vanne de détente ou la haute pression optimale à régler peut donc être instaurée de la manière souhaitée à partir des conditions réelles.

D'après une autre variante avantageuse du procédé, il est prévu que l'instant d'ouverture pour le passage soit fixé par un dispositif de rappel agissant contre la direction d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne. Un réglage fin devient ainsi possible pour ajuster en plus la plage de différence de pression à partir de laquelle l'organe de fermeture de vanne est ouvert.

L'objectif de la présente invention est atteint selon la présente invention par une vanne de détente dans laquelle un écoulement de matière à travers la vanne nécessaire au fonctionnement du circuit de réfrigérant avec une haute pression optimale est déterminé à partir de la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée, de la pression de sortie sur l'ouverture de sortie et de la température avant l'organe de fermeture de vanne, la section d'ouverture nécessaire de la vanne pouvant ainsi être déduite. L'utilisation de ces paramètres pour déterminer la section d'ouverture de la vanne permet que l'écoulement de matière souhaité traverse la vanne de détente en fonction de la différence de pression, car la différence de pression détermine elle-même le mouvement d'ouverture ou de fermeture de l'organe de fermeture de vanne. Il est donc possible d'atteindre et de maintenir la haute pression opti- male dans le domaine surcritique, c'est-à-dire pour des températures ambiantes supérieures à 27 C environ. Dans le domaine subcritique, du fait de la plus faible pression de condensation dans l'échangeur de chaleur extérieur, on a une section d'ouverture de vanne plus réduite, ce qui se rapproche du régime énergétiquement optimal. Cela entraîne une augmentation du coefficient de performances COP (coefficient of performance), qui est défini par le rapport entre la puissance frigorifique, c'est-à-dire la quantité de chaleur du côté évaporateur et la puissance de travail pour le compresseur. Ce coefficient de performances possède en régime subcritique comme en régime surcritique un optimum qui dépend essentiellement de la température du réfrigérant après l'échangeur de chaleur extérieur ou même de la température ambiante, c'est-à-dire de la température de l'air à l'entrée de l'échangeur de chaleur extérieur. Le fonctionnement énergétiquement optimal est ensuite atteint quand la plus grande puissance frigorifique apparaît pour la plus petite puissance de travail. Pour obtenir un COP optimal dans le domaine subcritique, la vanne de détente doit être fermée jusqu'à ce qu'un faible sous-refroidissement apparaisse sur l'échangeur de 2867261 4 chaleur extérieur. Si l'ouverture de vanne est choisie plus grande, le COP se dégrade de plus en plus, car l'écoulement de matière de réfrigérant et, donc, la puissance d'entraînement du compresseur, augmentent, ou plutôt l'enthalpie de vaporisation disponible diminue. Si la vanne de détente se ferme trop, c'est-à-dire sur la section d'ouverture est trop réduite, la haute pression augmente par suite du moindre écoulement de matière, de même que la puissance d'entraînement du compresseur. Dans ce cas cependant, on enregistre une dégradation plus rapide du COP, comme le montre par exemple la figure 4b.

Le domaine transcritique se caractérise par un comportement exactement inverse. Partant d'un COP optimal, qui est atteint pour une haute pression déterminée, une réduc- tion de la section de la vanne entraîne directement une augmentation de la haute pression et une baisse du COP. Dans l'autre direction, une augmentation de la section de la vanne en-traîne une baisse de la haute pression et du COP. Dans cette dernière direction, la dégradation du COP est cependant nettement plus prononcée.

L'objectif de la présente invention est atteint en outre, selon la présente invention, par une vanne de détente dans laquelle une force d'ouverture, qui résulte d'une différence de pression entre la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée et une pression de sortie sur l'ouverture de sortie, déplace un organe de fermeture de vanne dans la direction d'ouverture dans le sens inverse du dispositif de rappel. Cette vanne de détente est commandée par la force d'ouverture résultant de la différence de pression, de sorte que, sans soutien élec- trique, une adaptation de l'écoulement de rnatière traversant la vanne de détente aux conditions ambiantes régnant réellement est possible.

D'après une variante avantageuse de l'invention, il est prévu que la direction d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne soit prévue dans la direction d'écoulement du réfrigérant. Cela permet d'instaurer des conditions d'écoulement favorables, de telle sorte que les pertes d'écoulement de matière au passage du point d'étranglement ou du passage sont réduites.

D'après une configuration préférée de l'invention, l'organe de fermeture de vanne présente un corps de fermeture qui est prévu du côté pression de sortie par rapport au siège de vanne et qui s'étend du côté pression d'entrée à travers un passage. On a ainsi une construction simple de l'organe de fermeture de vanne, qui permet une modification continue de la section d'ouverture par suite du mouvement relatif par rapport au siège de vanne.

De manière avantageuse, il est prévu que l'organe de fermeture de vanne présente un corps de fermeture qui comprend une surface de fermeture conique. Cela permet d'obtenir une augmentation continue de la section d'ouverture lors d'un mouvement d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne. En outre, il peut être prévu en variante que la surface de fermeture conique est réalisée avec une surface d'enveloppe à courbure concave ou convexe. En fonction des points de travail du côté haute pression, il est donc possible de commander des débits massiques pour la décharge de pression de telle sorte qu'en fonction 2867261 5 de la course de déplacement, on ait une modification non linéaire de la section d'ouverture pour l'écoulement de matière. Les géométries extérieures du corps de fermeture et du siège de vanne sont adaptées aux volumes d'écoulement souhaités aux pressions de travail respectives, qui doivent être réglées en fonction du mouvement d'ouverture pour obtenir le régime haute pression optimal.

D'après une autre configuration avantageuse de l'invention, il est prévu que le corps de fermeture de l'organe de fermeture de vanne soit entouré d'une ouverture à buse d'un dispositif à buse, qui présente une largeur d'ouverture plus grande que la surface circonférentielle du corps de fermeture côté pression de sortie. On obtient ainsi un écoulement et une traversée libres à travers le passage. Dans le même temps, l'organe de fermeture de vanne peut être tenu prisonnier dans le dispositif à buse au-dessus du siège de vanne. En variante, il peut également être prévu que l'organe de fermeture de vanne soit placé exclusivement côté pression d'entrée ou côté pression de sortie, le dispositif de rappel étant disposé de manière correspondante, afin de tenir le passage fermé en cas d'équilibre de pres- sion ou de faible différence de pression déterminable.

D'après un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'organe de vanne est guidé dans un dispositif à buse par une section de guidage et est positionné à l'opposé de celui-ci dans un siège de vanne. Cette configuration du dispositif à buse permet la réalisation de la vanne de détente avec un petit nombre d'éléments. Ce dispositif à buse peut être avanta- geusement pressé, coincé, vissé ou autre dans lie boîtier.

L'écoulement de matière est introduit de manière avantageuse entre la section de guidage et le siège de vanne du dispositif à buse par l'intermédiaire de perçages transversaux. Ces perçages transversaux débouchent de préférence directement sur le passage au niveau du siège de vanne, de telle sorte qu'une introduction sans gêne et un passage du réfrigérant à travers le passage sont possibles à l'état ouvert.

L'organe de fermeture de vanne présente, en dehors d'une section guidée à travers le dispositif à buse, une section de maintien sur laquelle est prévu un dispositif de réglage, qui fixe le dispositif de rappel par rapport au dispositif à buse. Cela permet que le dispositif à buse soit réalisé complet avec l'organe de fermeture de vanne en tant qu'insert dans un boîtier. Dans le même temps, le dispositif de réglage permet un réglage fin de l'instant d'ouverture par l'intermédiaire du réglage de la force de précontrainte d'un dispositif de rappel conformé avantageusement en ressort.

Le dispositif de réglage est placé de manière avantageuse mobile sur la section de maintien. Cela peut se faire au moyen d'un filetage ou d'un guidage coulissant et d'un blo-35 cage ou analogue.

En outre, il peut être prévu de manière avantageuse que l'organe de fermeture de vanne présente une douille avec des pattes d'amortissement qui se mettent en prise sur une paroi intérieure de l'ouverture d'entrée ou de sortie. Ces pattes d'amortissement empêchent 2867261 6 une vibration de l'organe de fermeture de vanne et retardent au moins légèrement le mouvement de réglage dû à la différence de pression, de telle sorte qu'on obtient un écoule-ment de matière calme.

D'après un mode de réalisation préféré, le dispositif de rappel est conformé en élément à ressort, en particulier en élément à ressort exposable à la pression. Celui-ci est placé de manière avantageuse coaxialement à l'organe de fermeture de vanne. En variante, il est également prévu comme mode de réalisation avantageux que le dispositif de rappel soit placé au voisinage de l'organe de fermeture de vanne ou soit opposé à l'organe de fermeture de vanne, afin d'atteindre la position de fermeture à auto- maintien.

D'après un autre mode de réalisation préféré de l'invention, il est prévu que la force de fermeture du dispositif de rappel ou la caractéristique d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne soit déterminée d'après l'écoulement minimal nécessaire du réfrigérant en fonction de la différence de pression présente. Une détermination précise de l'instant d'ouverture peut ainsi être atteinte pour le passage du volume souhaité de l'écoulement de matière.

De manière préférée, la force de fermeture du dispositif de rappel ou la caractéristique d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne est déterminée selon une fonction linéaire ou courbée de l'écoulement de réfrigérant, par l'intermédiaire de la différence de pression présente. Une conception précise de la vanne de détente est ainsi possible. Dans le même temps, la section d'ouverture du passage peut être déterminée en fonction de la différence de pression, ce qui influence en retour la géométrie du corps de fermeture et/ou du siège de vanne.

D'après une autre configuration avantageuse de l'invention, il est prévu que, du fait de la formation du dispositif à buse et de l'organe de fermeture de vanne logé dans celui-ci, une construction compacte soit possible. Cela conduit à des configurations géométriques simples du boîtier et permet que les conduites d'arrivée et de départ menant à la vanne de détente et partant d'elle puissent se raccorder directement sur le boîtier. Cela permet de réduire le nombre de points de jonction et de les simplifier.

Selon la présente invention, la vanne de détente peut être conformée également en sous-ensemble et être composée d'une buse, d'un corps de fermeture et d'un dispositif de rappel. Ce sous-ensemble peut être intégré par exemple à un raccord rapporté sur l'évaporateur ou à un autre endroit. Cela permet d'éliminer encore d'autres points de jonction. Par exemple, la buse peut présenter sur la circonférence extérieure des éléments de fixation amovibles, de telle sorte qu'un montage simple et un remplacement de la vanne est possible de manière simple.

L'invention ainsi que d'autres modes de réalisation avantageux et variantes de celle-ci sont décrits et expliqués en détail dans ce qui suit à l'aide de l'exemple représenté sur les dessins. Selon la présente invention, les caractéristiques figurant dans la description et sur 2867261 7 les dessins peuvent être appliquées seules ou à plusieurs dans n'importe quelle combinai-son. Sont représentés: Figure 1: une vue schématique d'un processus à circuit de réfrigérant; Figure 2: une vue de deux processus à circuit de réfrigérant de la figure 1 sur un dia-5 gramme de Mollier; Figure 3: une vue en coupe schématique d'une vanne de détente selon la présente invention; Figure 4a: un schéma qui montre le rapport entre le coefficient de performances et la haute pression pour le régime surcritique en fonction de la température du réfrigérant après 10 un échangeur de chaleur extérieur; Figure 4b: un schéma qui montre le rapport entre une section d'ouverture de vanne et le coefficient de performances, la haute pression et le débit massique de réfrigérant pour un régime subcritique; Figure 5: un schéma qui montre la puissance frigorifique, le débit massique de réfrig-15 érant et la section d'ouverture de vanne en fonction de la température ambiante; Figure 6: une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation alternatif de la vanne de détente; Figure 7: une vue partielle agrandie schématiquement d'un mode de réalisation alter-natif d'un organe de fermeture de vanne; et Figures 8a et b: des vues en coupe agrandies schématiquement d'un autre mode de réalisation alternatif d'un organe de fermeture de vanne.

Sur la figure 1 est représenté un circuit 11. de réfrigérant qui fonctionne de préférence avec du CO2 comme réfrigérant. Un compresseur 12 envoie le réfrigérant comprimé côté haute pression à un échangeur de chaleur extérieur 14. Celui-ci communique avec l'envi- ronnement et cède de la chaleur vers l'extérieur. Il est suivi d'un échangeur de chaleur intérieur 15 qui envoie le réfrigérant à une vanne de détente 16 par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation 17. Avant la vanne de détente 16 règne, du côté haute pression, une pression d'entrée qui peut valoir par exemple 120 bar en été et jusqu'à 80 bar en hiver. Le réfrigérant traverse la vanne de détente 16 et arrive du côté basse pression. Côté sortie, la vanne de détente 16 présente des pressions comprises entre 35 et 45 bar. Par l'intermédiaire d'une conduite d'évacuation 18, le réfrigérant refroidi par la détente de pression arrive dans l'échangeur de chaleur intérieur 21 et extrait de la chaleur à l'environnement, de telle sorte qu'un refroidissement soit obtenu, par exemple dans l'habitacle d'un véhicule. L'échangeur de chaleur 21 est suivi d'un collecteur 22. Le réfrigérant sous forme vapeur traverse l'échangeur de chaleur intérieur 15 et arrive au compresseur 12.

Ce circuit de réfrigérant de la figure 1 est représenté sur le diagramme de Mollier de la figure 2. Sur ce diagramme, l'enthalpie h est portée sur l'axe x et la pression du réfrigérant sur l'axe y. La ligne 24 montre la limite entre les phases gazeuse et liquide du réfrigérant.

À titre d'orientation, la caractéristique 26 par exemple est représentée en tant qu'isotherme correspondant à 31 C. Le point de contact entre les caractéristiques 24 et 26 est le point critique 27, qui correspond par exemple à une température de 31 C et une pression de 73,8 bar pour le réfrigérant CO2. La ligne continue 29 montre l'état du réfrigérant CO2 quand la climatisation fonctionne en régime transcritique. Les points respectifs A à D correspondent aux états aux points A à D de la figure 1. La caractéristique pointillée 31 montre les états d'un circuit de réfrigérant de la figure 1 dans 1,e cas d'un processus subcritique.

Sur la figure 3 est représentée une vue en coupe schématique d'une vanne de détente 16 selon la présente invention. Dans un boîtier 33 de vanne est prévue une ouverture d'entrée 34 qui est reliée à une ouverture de sortie 37 par un passage 36. Dans l'ouverture d'entrée 34 est prévu un dispositif 38 à buse. Celui-ci peut être pressé, collé, vissé ou fixé par un autre moyen, comme par exemple un vissage ou un blocage. Le dispositif 38 à buse reçoit dans le passage 36 un organe 39 de fermeture de vanne. Du côté pression de sortie du passage 36 est placé un corps de fermeture 42 de l'organe 39 de fermeture de vanne. Du côté pression d'entrée ou haute pression, l'organe 39 de fermeture de vanne présente une section 46 guidée par une section de guidage 44, sur laquelle se raccorde une section de maintien 47. Entre le dispositif de réglage 49 et le dispositif 38 à buse est placé un dispositif de rappel 51. Le dispositif de réglage 49 comprend un élément 50 en forme de disque avec un épaulement sur lequel s'appuie le dispositif de rappel 51, conformé de préférence en ressort de compression. Par l'intermédiaire d'un disque d'immobilisation 52, l'élément 50 en forme de disque peut être déplacé le long de la section de maintien 47 en fonction de la force de précontrainte à instaurer.

Le dispositif 38 à buse présente, entre un siège 41 de vanne et la section de guidage 44, des perçages transversaux 56 qui communiquent avec le passage 36. Dans la zone de transition entre les perçages 56 et le siège 41 de vanne, l'organe 39 de fermeture de vanne est réalisé effilé par rapport à la section guidée 46, de telle sorte que le réfrigérant arrive jusqu'au passage 36.

L'organe 39 de fermeture de vanne présente un corps de fermeture conique 42 qui se termine de façon annulaire par un siège 41 de vanne. Le dispositif 38 à buse présente une 30 ouverture 58 de buse élargie par rapport au corps de fermeture conique 42.

Avec le mode de réalisation de l'organe 39 de fermeture de vanne représenté sur la figure 3, un positionnement à autocentrage du corps de fermeture 42 par rapport au siège 41 de vanne est rendu possible. En outre, une configuration simple et compacte est également possible.

Pour former la section d'ouverture entre le corps de fermeture 42 et le siège 41 de vanne en fonction de la course de déplacement d'un organe 39 de fermeture de vanne, on procède comme décrit ci-après, de sorte qu'en raison de la différence de pression entre le 2867261 9 côté haute pression et le côté basse pression, il est possible de commander l'organe 39 de fermeture de vanne.

La puissance frigorifique réalisable de façon optimale est d'abord fixée pour la température ambiante respective. La température ambiante concernée et la puissance frigorifique souhaitée peuvent être déterminées par exemple par simulation à l'aide d'un processus à circuit réfrigérant de la figure 2. La haute pression optimale à ajuster résulte de la température ambiante, car la régulation du processus fonctionne selon le principe de la régulation par la haute pression. À partir du schéma de circuit de la figure 2 qui en résulte ou bien par la simulation, la différence d'enthalpie disponible Oh entre les points B et C, c'est-à- dire l'entrée de l'échangeur de chaleur intérieur 21 et sa sortie, peut alors être déterminée. Le débit massique nécessaire découle directement de la formule m = Qo/Oh (débit massique = puissance frigorifique / différence d'enthalpie). À partir des grandeurs thermodynamiques, comme au point A, pression avant la vanne de détente 16, et au point B, pression après la vanne de détente 16, ainsi que de la température avant la vanne de détente 16, on peut déterminer la section d'ouverture nécessaire pour le débit massique m souhaité. Cette section d'ouverture peut ainsi être traduite en taille du passage ou du siège de soupape 41 et du corps de fermeture 41. En fonction de ces valeurs, on choisit en particulier la géométrie du corps de fermeture 42. Dans le même temps, la force d'ouverture de l'organe de fermeture de vanne 49 est déterminée, de telle sorte qu'au moins en cas d'équilibre de pres- sion, le dispositif de rappel 51 provoque une fermeture de la vanne.

Afin d'optimiser la régulation par la haute pression, qui dépend de la température, la section d'ouverture de la vanne est maximisée pour favoriser le coefficient de performances. Pour la conception, nous renvoyons aux figures 4a, 4b et 5.

Sur la figure 5 est représenté un schéma dans lequel la puissance frigorifique Qo, la section d'ouverture de la vanne et le débit massique du réfrigérant sont portés en fonction de la température ambiante pour une installation donnée. Pour les températures ambiantes respectives sont indiquées de plus le minimum, le maximum et la moyenne arithmétique des trois paramètres. Les valeurs maximales sont atteintes par exemple pendant le refroidissement du véhicule et les minimales pendant le régime stationnaire. Au-dessus d'une température ambiante comprise entre 25 et 30 C, la haute pression optimale d'un circuit au CO2 dépasse la valeur critique de 73,8 bar.

Sur la figure 4a est représenté un schéma dans lequel une caractéristique est portée en fonction de la température du réfrigérant après l'échangeur de chaleur extérieur 14, en fonction de la haute pression et du coefficient de performances. En un maximum M de la courbe est indiquée la section d'ouverture optimale pour la température de réfrigérant respective. Si la section n'est pas réglée de façon optimale, c'est-à-dire si elle est trop grande ou trop petite, le coefficient de performances est dégradé. Pour obtenir un fonctionnement optimal, le choix de la sections'effectue au maximum M ou dans une plage 0 au moins 2867261 10 dans une légère mesure. La plage O montre que le COP optimal diminue certes, mais avec une augmentation de la haute pression. Cette plage est plus intéressante pour la conception que la plage N. Cette plage montre ce qui se passe si l'on agrandit la section d'ouverture de la vanne. Cet agrandissement entraîne une chute de la haute pression et du COP de telle sorte que, dans cette direction, la dégradation du COP est nettement plus prononcée et a donc des effets plus néfastes. Du fait de la décroissance plus lente du COP dans la plage O, on obtient un meilleur résultat pour le choix de toute la plage.

Sur la figure 4b sont représentés les paramètres débit massique, coefficient de puissance COP et haute pression suivant la section de la vanne pour les régimes subcritiques.

Contrairement au schéma 4a, il n'est pas possible de représenter ici les paramètres en fonction de la haute pression, car le coefficient de performances optimal ne peut pas être associé clairement à la haute pression. Le schéma montre qu'en partant du côté droit des courbes, une fermeture de la vanne produit une diminution continue du débit massique à puissance frigorifique donnée. Sur les plages O, la haute pression reste constante, mais le coefficient de performances COP augmente constamment. Cela s'explique par le fait que le travail du compresseur se comporte comme le débit de réfrigérant mis en circulation tant que la différence de pression à surmonter Haute pression Basse pression reste inchangée.

Au point M de la figure 4b, le COP atteint son maximum et la haute pression commence à augmenter pour cette section de vanne. Ce point de fonctionnement est donc le point optimal pour la climatisation. Dans la plage N à gauche du point optimal, la section de la vanne diminue et la haute pression continue à augmenter. Comme le compresseur, du fait de la différence de pression présente, augmente en permanence, le COP diminue fortement.

À partir des figures 4a et 4b, l'on peut déduire des règles pour le choix de la section de 25 la vanne en fonction de la différence de pression présente, ou bien pour les puissances frigorifiques à attendre pour différentes températures ambiantes.

Dans le domaine subcritique, les différences de pression à instaurer entre l'entrée et la sortie de la vanne sont plus petites qu'en régime surcritique. Pour obtenir un coefficient de performances le plus grand possible dans les différents états de service, la section de la vanne est choisie de telle sorte que le point M de la figure 4b soit atteint pour une puissance frigorifique escomptée qui est proche de la puissance maximale. On obtient ainsi qu'aux faibles puissances frigorifiques, la section de vanne choisie est un peu trop grande. La diminution du COP est plus faible dans ce cas (plage O) que dans la plage N. Dans le domaine surcritique, une réduction de la section de la vanne a pour consé- quence que la haute pression augmente encore. Comme le montre la figure 4a, la caractéristique COP présente dans cette direction une vitesse de décroissance globalement plus faible que dans la plage N. La conception de la vanne pour les situations surcritiques s'effectue pour les faibles puissances frigorifiques escomptées, ou près d'elles, auxquelles 2867261 11 une haute pression optimale associée au point M s'instaure pour la température respective. Les besoins en puissance frigorifique augmentant, la haute pression augmentera encore (plage O) et il se produira une faible diminution du COP.

Comme évoqué ci-dessus, les géométries du corps de fermeture et du siège de vanne sont donc choisies pour les domaines subcritique et surcritique. De plus, la force d'ouverture ou respectivement de fermeture du dispositif de rappel sera prise en compte.

En déterminant la section d'ouverture, on obtient qu'en fonction de la différence de pression, l'instant d'ouverture de l'organe 39 de fermeture de vanne, ainsi que la course de déplacement ou course d'ouverture de l'organe 39 de fermeture de vanne et donc la section d'ouverture sont déterminées. Sans commande électronique supplémentaire, on réalise ainsi un agencement et une conception compacts d'une vanne de détente 16 qui travaille au moins partiellement, de préférence sur tout le domaine d'application, avec une haute pression optimale.

Sur la figure 6 est représentée une configuration alternative d'une vanne de détente 16 par rapport à la figure 3. Dans cette vanne de détente 16, le dispositif de réglage 49 comprend une douille 61 pouvant être traversée par le réfrigérant, douille sur laquelle sont formées des pattes d'amortissement 62. Ces pattes d'amortissement 62 glissent sur la paroi intérieure de l'ouverture d'entrée 34 et provoquent un mouvement d'ouverture et de fermeture amorti, au moins légèrement ralenti, de l'organe 39 de fermeture de vanne. La douille 61 et les pattes d'amortissement 62 placées dessus peuvent également être placées côté sortie et être en liaison avec le corps de fermeture 42.

Sur la figure 7 est représentée une vue de détail agrandie d'un mode de réalisation alternatif d'un organe 39 de fermeture de vannE. Le corps de fermeture 42 présente en tant que surface de fermeture une surface d'enveloppe courbée vers l'intérieur par rapport à l'axe longitudinal médian de l'organe de fermeture de vanne 39. En fonction de la géométrie du siège 41 de vanne et de la surface de fermeture 63 qui lui fait suite côté entrée, des sections d'ouverture adaptées aux températures ambiantes peuvent donc être obtenues. Les géométries du corps de fermeture 42 et du siège 41 de vanne peuvent également être réalisées en gradin, avec des inclinaisons différentes, des surfaces coniques, ou encore des sur- faces courbées vers l'extérieur ou analogues.

Sur les figures 8a et 8b est représentée une vue en coupe agrandie d'un autre mode de réalisation alternatif d'un organe de fermeture de vanne 39. Sur le corps de fermeture 42 est formé au moins un renfoncement 64, ce qui a pour effet qu'un faible débit massique du réfrigérant passe toujours à travers le passage 36. L'organe 39 de fermeture de vanne ne s'ouvre donc qu'après qu'une différence de pression prédéterminée a été dépassée. Les renfoncements 64 peuvent être réalisés par exemple sous forme de rainures rectangulaires ou de renfoncements semi-circulaires ou d'évidements sur le siège 41 de vanne et/ou le corps de fermeture 42. De même, il peut être prévu en variante que le corps de fermeture 2867261 12 42 ne vient pas au contact du siège 41 de vanne, car la course de retour ou la course de fermeture est limitée par une butée, et l'on a donc une section légèrement ouverte.

Les caractéristiques et modes de réalisation décrits pour les divers exemples de configuration sont importants séparément pour l'invention et peuvent également être combinés à volonté.

Claims (23)

1:3 REVENDICATIONS

1. Procédé pour commander une vanne de détente, en particulier pour des climatisations de véhicules utilisant du CO2 comme réfrigérant, avec un boîtier (33) de vanne dans lequel, côté haute pression, une pression d'entrée est présente sur une ouverture d'entrée (34) et, côté basse pression, une pression de sortie est présente sur une ouverture de sortie (37), avec un organe (39) de fermeture de vanne qui est déplacé dans la direction d'ouverture depuis un siège (41) de vanne d'un passage (36), qui est placé entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie (37), pour faire passer le réfrigérant, caractérisé en ce qu'en fonction de la valeur d'une différence de pression entre la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée (34) et la pression de sortie sur l'ouverture de sortie (37), un tronçon du mouvement d'ouverture ou de fermeture de l'organe (39) de fermeture de vanne est commandé sur une plage à réguler au moins partiellement.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une section de l'ouverture 15 entre l'organe (39) de fermeture de vanne et le siège (41) de vanne change de façon continue en fonction de la différence de pression.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (39) de fermeture de vanne est tenu dans le siège (41) de vanne en cas d'équilibre de pression.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un instant d'ouverture du passage (36) est réglé par un dispositif de rappel (51) en sens inverse de la direction d'ouverture de l'organe (39) de fermeture de vanne.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif de réglage (49) se mettant en prise sur l'organe (39) de fermeture de vanne et recevant le dispositif de rappel (51) est déplacé, pour régler l'instant d'ouverture, le long d'une section de maintien (47) de l'organe (39) de fermeture de vanne.

6. Vanne de détente, en particulier pour des climatisations de véhicules utilisant du CO2 comme réfrigérant, avec un boîtier (33) de vanne qui présente une ouverture d'entrée (34) et une ouverture de sortie (37), avec un organe (39) de fermeture de vanne qui ferme un siège (41) de vanne d'un passage (36), qui est placé entre l'ouverture d'entrée (34) et l'ouverture de sortie (37), et avec un dispositif de rappel (51) agissant dans la direction de fermeture de l'organe (39) de fermeture de vanne, caractérisée en ce qu'un nécessaire débit massique de réfrigérant traversant le passage (36) pour faire fonctionner le circuit réfrigérant à une haute pression optimale est déterminé à partir de la pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée (34), de la pression de sortie sur l'ouverture de sortie (37) et de la température avant l'organe (39) de fermeture de vanne, la section d'ouverture nécessaire pouvant alors en être déduite.

7. Vanne de détente, en particulier selon la revendication 6, avec un boîtier (33) de vanne qui présente une ouverture d'entrée (34) et une ouverture de sortie (37), avec un or- 2867261 14 gane (39) de fermeture de vanne qui ferme un siège (41) de vanne d'un passage (36), qui est placé entre l'ouverture d'entrée (34) et l'ouverture de sortie (37), et avec un dispositif de rappel (51) agissant dans la direction de fermeture de l'organe (39) de fermeture de vanne, caractérisée en ce que, par une force d'ouverture qui résulte d'une différence de pression entre une pression d'entrée sur l'ouverture d'entrée (34) et une pression de sortie sur l'ouverture de sortie (37), un organe (39) de fermeture de vanne peut être déplacé dans la direction d'ouverture contre la force du dispositif de rappel (51).

8. Vanne de détente selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la direction d'ouverture de l'organe (39) de fermeture de vanne est prévue dans la direction d'écoule-10 ment du réfrigérant.

9. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'organe (39) de fermeture de vanne présente un corps (42) de fermeture qui est prévu du côté sortie du siège (41) de vanne et qui s'étend côté entrée à travers le passage (36).

10. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que l'organe (39) de fermeture de vanne présente un corps de fermeture (42) avec une surface de fermeture conique, une surface d'enveloppe courbe concave ou convexe en tant que surface de fermeture, ou une surface de fermeture conique en gradin avec au moins deux pentes différentes.

11. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce que le corps de fermeture (42) est entouré par une ouverture (58) de buse d'un dispositif (38) à buse, qui présente une largeur d'ouverture plus grande que la surface circonférentielle du corps de fermeture (42).

12. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée 25 en ce que l'organe de fermeture (39) est guidé dans un dispositif (38) à buse par une section de guidage (44) et en face de celle-ci est placé le siège (41) de vanne.

13. Vanne de détente selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'entre la section de guidage (44) et le siège (41) de vanne dans le dispositif (38) à buse, il est prévu au moins un perçage transversal (56) qui relie l'ouverture d'entrée (34) au passage (36).

14. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisée en ce qu'en dehors d'une section guidée (46) de l'organe (39) de fermeture de vanne, il est prévu un dispositif de réglage (49) qui se met en prise sur l'organe (39) de fermeture de vanne et fixe le dispositif de rappel (41) au dispositif (38) à buse.

15. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisée 35 en ce que le dispositif de réglage (49) est placé mobile le long d'une section de maintien (47) de l'organe (39) de fermeture de vanne.

16. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 15, caractérisée en ce que l'organe (39) de fermeture de vanne présente une douille (61) avec des pattes 2867261 15 d'amortissement (62) qui se mettent en prise sur une paroi intérieure de l'ouverture d'entrée (34) ou de l'ouverture de sortie (37).

17. Vanne de détente selon la revendication 16, caractérisée en ce que la douille (61) est prévue sur le dispositif de réglage (49).

18. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 17, caractérisée en ce que le dispositif de rappel (51) est conformé en élément à ressort, en particulier en ressort travaillant en compression.

19. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 18, caractérisée en ce qu'au moins le corps (42) de fermeture de l'organe (39) de fermeture de vanne ou le siège (41) de vanne présente une protubérance ou un renfoncement (64), de telle sorte qu'une section d'écoulement du passage (36) est libérée comme ouverture de base dans une position de fermeture de l'organe (39) de fermeture de vanne placé contre le siège (41) de vanne.

20. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 19, caractérisée en ce qu'au moins la force de fermeture du dispositif de rappel (51) ou la caractéristique d'ouverture de l'organe (39) de fermeture de vanne est déterminée d'après le débit massique de réfrigérant minimal nécessaire pour le domaine transcritique et d'après le débit massique de réfrigérant maximal nécessaire pour le domaine subcritique.

21. Vanne de détente selon la revendication 20, caractérisée en ce qu'au moins la force de fermeture du dispositif de rappel (51) ou la caractéristique d'ouverture de l'organe (39) de fermeture de vanne est déterminée d'après une fonction linéaire ou courbe du débit de réfrigérant.

22. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 21, caractérisée en ce que le dispositif de rappel (51) est coaxial ou voisin de l'organe (39) de fermeture de 25 vanne.

23. Vanne de détente selon l'une quelconque des revendications 6 à 22, caractérisée en ce que les ouvertures d'entrée et de sortie (34, 37) du boîtier (33) de vanne peuvent se raccorder directement à une conduite d'entrée et de sortie (17, 18).