FR3077376A1 - Circuit de fluide refrigerant pour vehicule a performances ameliorees - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un circuit (1) de fluide réfrigérant (FR) qui comprend une branche principale (2) avec un échangeur de chaleur principal (3) et un dispositif de compression (9), ainsi qu'une première branche (4) et une deuxième branche (5) qui sont toutes deux interposées entre une première portion (20) et une seconde portion (22) de la branche principale (2), la première branche (4) comprenant un premier échangeur thermique (10) couplé thermiquement à un dispositif de stockage électrique (11), la deuxième branche (5) comprenant un deuxième échangeur thermique (14) configuré pour traiter thermiquement un habitacle, caractérisé en que le circuit (1) comprend un premier échangeur de chaleur interne (15) apte à réaliser un échange de chaleur entre la première portion (20) et la seconde portion (22) de la branche principale (2), ainsi qu'un deuxième échangeur de chaleur interne (18) apte à réaliser un échange de chaleur entre la branche principale (2) et la deuxième branche (5).

Description

Le domaine de la présente invention est celui des circuits de fluide réfrigérant pour véhicule, notamment pour véhicule automobile.
Les véhicules automobiles sont couramment équipés d’un circuit de fluide réfrigérant utilisé pour refroidir différentes zones ou différents composants du véhicule. Il est notamment connu d’utiliser ce circuit de fluide réfrigérant pour traiter thermiquement un flux d’air envoyé dans l’habitacle du véhicule équipé d’un tel circuit.
Dans une autre application de ce circuit, il est connu de l’utiliser pour refroidir un dispositif de stockage électrique du véhicule, ce dernier étant utilisé pour fournir une énergie à un moteur électrique capable de mettre en mouvement le véhicule. Le circuit de fluide réfrigérant fournit ainsi l’énergie capable de refroidir le dispositif de stockage électrique pendant son utilisation en phases de roulage. Le circuit de fluide réfrigérant est ainsi dimensionné pour refroidir ce dispositif de stockage électrique pour des températures d’échauffement du dispositif de stockage électrique qui restent modérées.
Lorsque ce circuit de fluide réfrigérant assure simultanément le traitement thermique de l’habitacle et le traitement thermique du dispositif de stockage électrique, ce circuit est soumis à de très fortes contraintes qui amènent le circuit aux limites de ses capacités. C’est notamment le cas quand le dispositif de stockage électrique est utilisé d’une manière qui provoque un échauffement important de celui-ci. Un exemple de cette situation est une phase de charge rapide du dispositif de stockage électrique. Elle consiste à charger le dispositif de stockage électrique sous une tension et un ampérage élevés, de manière à charger le dispositif de stockage électrique en un temps maximum de quelques de minutes. Cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique qu’il convient de traiter. Par ailleurs, il faut considérer la possibilité de maintenir un niveau de confort thermique acceptable à l’intérieur de l’habitacle, soit car les occupants du véhicule restent à l’intérieur du véhicule tout ou partie du temps de charge mentionné ci-dessus, soit pour anticiper le retour de ces occupants et éviter tout inconfort d’ordre thermique. Il faut alors également traiter thermiquement l’habitacle pendant cette phase de charge rapide pour maintenir des conditions de confort acceptables, notamment quand la température extérieure au véhicule est supérieure à 3O°C. Ces deux demandes en refroidissement impliquent un dimensionnement du système qui le rend peu compatible avec les contraintes des véhicules automobiles actuels, notamment les véhicules mus par un moteur électrique.
Le problème technique réside donc dans la capacité à augmenter les performances d’un circuit de fluide réfrigérant qui est configuré d’une part pour dissiper les calories générées par le dispositif de stockage électrique lorsqu’il est soumis à de fortes contraintes, par exemple pendant une phase de charge rapide, et d’autre part à refroidir l’habitacle, tant en limitant la consommation et/ou l’encombrement et/ou les nuisances sonores d’un système capable de remplir simultanément ces deux fonctions.
L’invention s’inscrit dans ce contexte et propose une solution technique qui résout ce problème, en intégrant deux échangeurs de chaleur internes disposés astucieusement l’un par rapport à l’autre dans le circuit. Chacun de ces échangeurs de chaleur interne met en œuvre un échange thermique entre une portion haute pression du circuit et respectivement une première partie basse pression et une deuxième partie basse pression du circuit.
L'invention a donc pour objet un circuit pour véhicule automobile configuré pour être parcouru par un fluide réfrigérant, le circuit comprenant au moins une branche principale comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un dispositif de compression du fluide réfrigérant, ainsi qu’une première branche et une deuxième branche qui s’étendent entre un point de divergence et un point de convergence et qui sont toutes deux interposées entre une première portion de la branche principale et une seconde portion de la branche principale, la première branche comprenant au moins un premier échangeur thermique couplé thermiquement à un dispositif de stockage électrique du véhicule, la deuxième branche comprenant au moins un deuxième échangeur thermique configuré pour traiter thermiquement un habitacle du véhicule, caractérisé en ce que le circuit comprend un premier échangeur de chaleur interne apte à réaliser un échange de chaleur entre la première portion de la branche principale et la seconde portion de la branche principale, ainsi qu’un deuxième échangeur de chaleur interne apte à réaliser un échange de chaleur entre la branche principale et la deuxième branche.
Le premier échangeur de chaleur interne met ainsi en œuvre un échange thermique entre le fluide réfrigérant soumis à haute température et haute pression présent dans la branche principale et le fluide réfrigérant à basse pression et basse température qui circule dans la branche du circuit qui porte le premier échangeur thermique, c’est-à-dire celui dédié au traitement thermique du dispositif de stockage électrique. Le deuxième échangeur de chaleur interne met également en œuvre un échange thermique entre le fluide réfrigérant soumis à haute température et haute pression présent dans la branche principale et le fluide réfrigérant à basse pression et basse température qui circule dans la branche du circuit qui porte le deuxième échangeur thermique, c’est-à-dire celui dédié au traitement thermique de l’habitacle.
Cette organisation évite de surdimensionner ou de surexploiter des composants du circuit, notamment le dispositif de compression. Toutes choses étant égales par ailleurs, le circuit de fluide réfrigérant selon l’invention est plus efficace qu’un circuit de fluide réfrigérant dépourvu des deux échangeurs de chaleur interne. La puissance frigorifique développée par le circuit objet de l’invention est donc plus importante que ce qui existe dans l’art antérieur.
Cette organisation du circuit permet également de limiter les nuisances acoustiques, en faisant fonctionner le dispositif de compression à des vitesses inférieures à ce qui serait le cas en l’absence d’échangeurs de chaleur interne.
Le fluide réfrigérant est par exemple un fluide sous-critique, tel que celui connu sous la référence R134A ou 1234YF. Alternativement, le fluide peut être super-critique, tel que le dioxyde de carbone dont la référence est R744. Le circuit de fluide réfrigérant selon l’invention est un circuit fermé qui met en œuvre un cycle thermodynamique.
Le dispositif de compression est par exemple un compresseur, et l’invention trouve une application toute particulière lorsque le compresseur est un compresseur électrique à cylindrée fixe et à vitesse variable. Il est ainsi possible de contrôler la puissance thermique du circuit selon l’invention. Le dispositif de compression peut comprendre au moins un mécanisme de compression entraîné par un moteur électrique dont la rotation est placée sous la dépendance d’un contrôleur, éventuellement embarqué dans le dispositif de compression.
La première branche est en parallèle de la deuxième branche, vu du fluide réfrigérant.
Le point de divergence est la zone du circuit où la branche principale, en particulier sa première portion, se sépare en deux, en formant la première branche et la deuxième branche. Le point de convergence est la zone du circuit où la première branche et la deuxième branche se joignent, pour former la branche principale, et plus particulièrement la seconde portion.
L’échangeur de chaleur principal peut être installé en face avant du véhicule. Cet échangeur de chaleur principal peut ainsi être utilisé comme condenseur, ou refroidisseur de gaz dans le cas d’un fluide super-critique.
Le premier échangeur thermique est configuré pour traiter thermiquement un dispositif de stockage électrique du véhicule. Il est ainsi spécialement dédié à ce dispositif de stockage électrique et n’a pas pour fonction de refroidir un autre composant. Le premier échangeur thermique échange des calories entre le fluide réfrigérant et le dispositif de stockage électrique du véhicule, soit directement, c’est-à-dire par convection entre le premier échangeur thermique et le dispositif de stockage électrique, soit indirectement via une boucle de liquide caloporteur, cette dernière étant destinée à transporter les calories du dispositif de stockage électrique vers le premier échangeur thermique. On comprend donc que le refroidissement du dispositif de stockage électrique selon l’invention peut être indirect et dans ce cas le premier échangeur thermique est un échangeur de chaleur fluide réfrigérant/liquide caloporteur. De manière alternative et couverte par l’invention, le premier échangeur thermique peut être au contact du dispositif de stockage électrique. Dans un tel cas, le refroidissement du dispositif de stockage électrique est direct.
De manière avantageuse, le premier échangeur de chaleur interne comprend une première passe apte à être parcourue par le fluide réfrigérant et disposée dans la première portion de la branche principale, ainsi qu’une deuxième passe apte à être parcourue par le fluide réfrigérant et disposée dans la deuxième portion de la branche principale, la première passe et la deuxième passe étant configurées pour échanger thermiquement l’une avec l’autre. La première passe et la deuxième passe sont donc constitutives de la branche principale, mais dans des portions où la pression et la température du fluide réfrigérant sont différentes.
Toujours de manière avantageuse, le deuxième échangeur de chaleur interne comprend une première nappe apte à être parcourue par le fluide réfrigérant et disposée sur la branche principale, ainsi qu’une deuxième nappe apte à être parcourue par le fluide réfrigérant et disposée sur la deuxième branche, la première nappe et la deuxième nappe étant configurées pour échanger thermiquement l’une avec l’autre.
La première passe, la deuxième passe, la première nappe et la deuxième nappe forment un volume interne, respectivement du premier échangeur de chaleur interne et du deuxième échangeur de chaleur interne, qui est destiné à être occupé par le fluide réfrigérant. Ces passes et nappes peuvent être parallèles ou peuvent se croiser. La circulation de fluide réfrigérant en leur sein peut être du type co-courant ou à contre-courant.
On notera que la première passe et la première nappe sont disposées en série dans la branche principale. Côté haute pression, la première passe et la première nappe se suivent.
La deuxième nappe est constitutive de la deuxième branche.
La première passe et la première nappe sont disposées de manière à ce que le fluide réfrigérant circule d’abord dans la première passe puis dans la première nappe. Vu du fluide réfrigérant, la première passe est en amont de la première nappe. Une telle organisation tire avantage du fait que la température d’évaporation du fluide réfrigérant dans le premier échangeur thermique est supérieure à la température d’évaporation du fluide réfrigérant dans le deuxième échangeur thermique. Il reste donc une certaine capacité calorifique dans le fluide réfrigérant après son passage dans la première passe, cette capacité pouvant être mise à profit dans l’échange de chaleur qui prend place dans le deuxième échangeur de chaleur interne.
Selon un aspect de l’invention, la première passe et la première nappe sont disposées sur la branche principale entre une sortie de l’échangeur de chaleur principal et le point de divergence.
La deuxième passe est disposée sur la première branche entre une sortie du premier échangeur thermique et une entrée du dispositif de compression.
De manière avantageuse, la deuxième nappe est disposée sur la deuxième branche entre une sortie du deuxième échangeur thermique et une entrée du dispositif de compression.
Le point de convergence peut prendre plusieurs formes de réalisation. Il peut tout d’abord s’agir d’un point de connexion où la première branche et la deuxième branche se joignent pour reformer la branche principale, notamment la seconde portion de cette branche principale. Dans un tel cas, la deuxième branche peut comprendre un moyen de compression distinct du dispositif de compression disposé dans la branche principale, par exemple un compresseur électrique, chargé de faire circuler le fluide réfrigérant dans la deuxième branche, en particulier dans le deuxième échangeur thermique et dans un organe de détente qui lui est associé.
Le point de convergence peut aussi être formé d’au moins un éjecteur. Cet éjecteur assure une fonction de détendeur à l’égard du premier échangeur thermique et une fonction de mise en circulation du fluide réfrigérant dans la deuxième branche. L’éjecteur forme ainsi un dispositif de détente du fluide réfrigérant qui participe au cycle thermodynamique qui prend place dans le circuit selon l’invention. L’éjecteur forme également un moyen de mise en circulation du fluide réfrigérant dans la deuxième branche. L’effet Venturi généré par l’éjecteur agit comme une pompe à l’égard du fluide réfrigérant présent dans la deuxième branche.
Le circuit selon l’invention peut comprendre au moins un dispositif de contrôle de la circulation du fluide réfrigérant au sein de la première branche. Avantageusement, ce dispositif de contrôle prend la forme d’une vanne tout ou rien, ou à ouverture variable.
Le circuit peut aussi comprendre un organe de contrôle de la circulation du fluide réfrigérant au sein de la deuxième branche. Cet organe de contrôle peut être disposé en amont et/ou en aval du deuxième échangeur thermique. Il peut par exemple s’agir d’une vanne d’arrêt ou encore d’au moins un organe de détente du fluide réfrigérant. Dans ce dernier cas, l’organe de contrôle est disposé en amont du deuxième échangeur thermique. L’organe de détente peut être un organe de détente à commande électrique, piloté par exemple par des moyens électroniques. L’organe de détente est donc piloté électriquement ou électroniquement.
C’est ainsi que l’organe de contrôle peut être disposé sur la deuxième branche entre le point de divergence et une entrée du deuxième échangeur thermique. Alternativement, l’organe de contrôle est disposé sur la deuxième branche entre une sortie du deuxième échangeur thermique et le point de convergence. De manière avantageuse, l’organe de contrôle est disposé entre une sortie de la deuxième nappe et le point de convergence, ce dernier étant par exemple formé par une entrée secondaire de l’éjecteur.
On notera que le dispositif de contrôle est disposé sur la première branche entre le point de divergence et le point de convergence, et plus particulièrement entre le point de divergence et une entrée primaire de l’éjecteur.
Selon une caractéristique de l’invention, au moins une canalisation relie la deuxième branche à une entrée du dispositif de compression. La canalisation peut alors comprendre au moins une vanne d’arrêt de la circulation du fluide réfrigérant au sein de la canalisation.
Selon une autre caractéristique, le premier échangeur thermique est un échangeur de chaleur fluide réfrigérant/liquide caloporteur.
L’invention couvre aussi un système de traitement thermique d’un véhicule automobile, comprenant un dispositif de stockage électrique du véhicule automobile et un circuit tel que décrit dans le présent document, où le premier échangeur thermique coopère avec le dispositif de stockage électrique de manière à assurer au moins son refroidissement. Le chauffage de ce dispositif de stockage électrique peut également être assuré par ce système de traitement thermique, notamment en opérant le circuit de fluide réfrigérant en mode pompe à chaleur.
Le système évoqué ci-dessus peut comprendre une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation de l’habitacle du véhicule automobile, dans lequel le deuxième échangeur thermique est disposé dans l’installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique du circuit selon l’invention, dans un premier mode de réalisation,
- la figure 2 est une vue schématique du circuit selon l’invention, dans un deuxième mode de réalisation,
- les figures 3 à 5 illustrent de manière schématique le circuit montré à la figure 1, exploité selon différents modes de fonctionnement.
Il faut tout d’abord noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention, le cas échéant. Ces figures sont des représentations schématiques qui illustrent comment est réalisé le circuit, ce qui le compose et comment le fluide réfrigérant circule en son sein. En particulier, le circuit selon l’invention comprend principalement au moins un dispositif de compression du fluide réfrigérant, des échangeurs de chaleurs, des organes et dispositifs de contrôle de la circulation du fluide réfrigérant, et des canalisations reliant chacun de ces composants. Le circuit peut également être placé sous la dépendance d’une unité de contrôle qui agit sur certains de ces composants.
Les termes amont et aval employés dans la description qui suit se réfèrent au sens de circulation du fluide considéré, c’est-à-dire le fluide réfrigérant, un flux d’air intérieur envoyé vers un habitacle du véhicule ou un flux d’air extérieur à l’habitacle du véhicule. Le fluide considéré est symbolisé par une flèche qui illustre le sens de circulation de ce dernier dans la canalisation considérée. Les traits pleins illustrent une portion de circuit où le fluide réfrigérant circule, tandis que les traits pointillés montrent une absence de circulation du fluide réfrigérant.
La figure 1 montre ainsi un circuit 1 à l’intérieur duquel un fluide réfrigérant est apte à circuler. Ce circuit 1 est une boucle fermée où le fluide réfrigérant est mis en circulation par un dispositif de compression 9. On notera que ce dispositif de compression 9 peut prendre la forme d’un compresseur électrique, c’est-à-dire un compresseur qui comprend un mécanisme de compression, un moteur électrique et éventuellement un contrôleur. Le mécanisme de compression est mis en rotation par le moteur électrique dont la vitesse de rotation est placée sous la dépendance du contrôleur, celui-ci pouvant être externe ou interne au dispositif de compression concerné, par exemple en étant logé dans un boîtier du compresseur.
Selon les modes de réalisation illustrés aux figures, le circuit 1 comprend une branche principale 2, une première branche 4 et une deuxième branche 5 qui sont en série de la branche principale 2, de sorte à former un circuit fermé où un cycle thermodynamique prend place.
La première branche 4 et la deuxième branche 5 se séparent à un point de divergence 6 et se rejoignent à un point de convergence 7. Entre ces deux points, première branche 4 et deuxième branche 5 sont en parallèle, vu du fluide réfrigérant.
La branche principale 2 est partagée en deux portions séparées l’une de l’autre par la première branche 4 et par la deuxième branche 5. La partie de la branche principale 2 qui s’étend d’une sortie 19 du dispositif de compression 9 jusqu’au point de divergence 6 est appelée première portion 20 de la branche principale 2. La partie de la branche principale 2 qui s’étend du point de convergence 7 jusqu’à une entrée 21 du dispositif de compression 9 est appelée seconde portion 22 de la branche principale 2.
Le circuit 1 objet de l’invention comprend également au moins un premier échangeur thermique 10 qui est spécifiquement dédié au traitement thermique d’un dispositif de stockage électrique 11, dont la fonction est de fournir une énergie électrique à un ou plusieurs moteurs électriques qui mettent en mouvement le véhicule. Un tel dispositif de stockage électrique 11 accumule ou restitue cette énergie électrique en vue de mettre en mouvement le véhicule automobile, via le moteur électrique dédié. Il s’agit par exemple d’un pack de batteries regroupant ίο plusieurs cellules électriques qui stockent le courant électrique.
Le premier échangeur thermique io peut échanger directement des calories avec le dispositif de stockage électrique il, par convection ou par conduction. On parle ici de traitement thermique direct du dispositif de stockage électrique il.
Selon les exemples illustrés aux figures 1 à 5, le premier échangeur thermique 10 est couplé thermiquement au dispositif de stockage électrique 11 via une boucle de liquide caloporteur. On parle alors de traitement thermique indirect du dispositif de stockage électrique 11. Le liquide caloporteur capte ainsi les calories au niveau du dispositif de stockage électrique 11, via un troisième échangeur de chaleur 23, et les transporte vers le premier échangeur thermique 10. On notera que ce troisième échangeur de chaleur 23 prend la forme d’une ou plusieurs plaques mécaniquement porteuses du dispositif de stockage électrique 11, qui délimitent entre elles un espace traversé par le liquide caloporteur. La circulation du liquide caloporteur dans la boucle 17 de liquide caloporteur est générée par au moins une pompe 24.
De manière innovante, le circuit 1 de fluide réfrigérant comprend un premier échangeur de chaleur interne 15 et un deuxième échangeur de chaleur interne 18 de constitution semblable. Le premier échangeur de chaleur interne 15 assure un échange de calories entre le fluide réfrigérant qui circule dans la première portion 20 de la branche principale 2 et le fluide réfrigérant qui circule dans la seconde portion 22 de la branche principale 2. Le deuxième échangeur de chaleur interne assure un échange de calories entre le fluide réfrigérant qui circule dans la première portion 20 de la branche principale 2 et le fluide réfrigérant qui circule dans la deuxième branche 5.
Vu du fluide réfrigérant qui circule dans la première portion 20 de la branche principale 2, le premier échangeur de chaleur interne 15 est en amont du deuxième échangeur de chaleur interne 18. Vu du fluide réfrigérant qui circule dans la deuxième branche 5, le premier échangeur de chaleur interne 15 est en parallèle du deuxième échangeur interne 18.
Le premier échangeur de chaleur interne 15 comprend deux passes qui échangent thermiquement l’une avec l’autre. Une première passe 25 de ce premier échangeur de chaleur interne 15 fait partie de la première portion 20 de la branche principale 2, tandis qu’une deuxième passe 26 de ce premier échangeur de chaleur interne 15 fait partie de la seconde portion 22 de la branche principale 2.
Du côté du deuxième échangeur de chaleur interne 18, celui-ci comprend une première nappe 27 et une deuxième nappe 28 qui échange thermiquement avec la première nappe 27. Cette dernière fait partie de la première portion 20 de la branche principale 2, tandis que la deuxième nappe 28 de ce deuxième échangeur de chaleur interne 18 fait partie de la deuxième branche 5, c’est-à-dire la branche qui comporte le deuxième échangeur thermique 14.
La première passe 25 du premier échangeur de chaleur interne 15 et la première nappe 27 du deuxième échangeur de chaleur interne 18 sont disposées en série l’une derrière l’autre entre une sortie 29 d’un échangeur de chaleur principal 3 et le point de divergence 6 où se séparent la première branche 4 et la deuxième branche 5.
La branche principale 2 s’étend du point de convergence 7 jusqu’au point de divergence 6 et comprend au moins l’échangeur de chaleur principal 3 et le dispositif de compression 9. Cet échangeur de chaleur principal 3 est destiné à être traversé par le fluide réfrigérant et par un flux d’air extérieur. Cet échangeur de chaleur principal 3 est le siège d’un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et ce flux d’air extérieur et il peut être utilisé comme condenseur, comme on le verra à la description des figures 3 à 5. Cet échangeur de chaleur principal 3 peut être installé en face avant du véhicule équipé du circuit 1 selon l’invention et il est dans cette situation traversé par le flux d’air extérieur à l’habitacle du véhicule (cet échangeur de chaleur peut aussi être un échangeur réfrigérant / caloporteur).
La première branche 4 débute au point de divergence 6, se termine au point de convergence 7 et comprend un dispositif de contrôle 16 de la circulation du fluide réfrigérant dans la première branche 4. Selon un exemple de réalisation, le dispositif de contrôle 16 prend la forme d’une vanne d’arrêt 8 configurée pour totalement autoriser ou totalement interdire le passage du fluide réfrigérant à son travers.
La deuxième branche 5 débute au point de divergence 6, se termine au point de convergence 7 et comprend successivement et selon le sens de circulation du fluide réfrigérant dans la deuxième branche 5 au moins un organe de contrôle 13, un deuxième échangeur thermique 14 et le deuxième échangeur de chaleur interne 18. On notera que, de manière alternative ou cumulative, l’organe de contrôle 13 peut être disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur interne 18, notamment entre une sortie de celui-ci et le point de convergence 7. Dans un tel cas, l’organe de contrôle 13 peut disposer d’une fonction d’arrêt similaire à celle de la vanne d’arrêt 8 disposée dans la première branche 4.
L’organe de contrôle 13 peut aussi être disposé en amont du deuxième échangeur thermique 14, et il peut alors s’agir d’un organe de détente 12 dont la fonction est d’assurer une chute de pression du fluide réfrigérant. L’organe de détente 12 peut agir sur une puissance thermique mise en œuvre par le deuxième échangeur thermique 14, en étant en mesure de faire varier cette puissance thermique de la puissance maximale du deuxième échangeur thermique 14 à toutes puissances thermiques inférieures à cette puissance maximale. L’organe de détente 12 peut être indifféremment un détendeur thermostatique, un détendeur électronisé, un orifice tube ou analogue.
Selon une variante de l’invention, le point de convergence 7 est une zone où la première branche 4 et la deuxième branche 5 se joignent. Dans cette situation, le circuit 1 de fluide réfrigérant peut comprendre un moyen de compression du fluide réfrigérant installé dans la deuxième branche dont la fonction est de faire circuler le fluide réfrigérant FR dans la deuxième branche 5, de manière à réaliser le refroidissement du flux d’air qui traverse le deuxième échangeur thermique 14.
Selon un exemple de réalisation illustré sur les figures, le point de convergence 7 prend la forme d’un éjecteur 30. Ce dernier est un composant qui assure une première fonction de détendeur du fluide réfrigérant, ainsi qu’une deuxième fonction de mise en circulation du fluide réfrigérant dans la deuxième branche 5. Cet éjecteur 30 forme donc un dispositif de détente du fluide réfrigérant et un moyen de mise en circulation du fluide réfrigérant dans la deuxième branche, grâce à l’effet Venturi qu’il génère.
L’éjecteur 30 comprend ainsi une entrée principale 31 de fluide réfrigérant raccordée à la première branche 4, une entrée secondaire 32 de fluide réfrigérant raccordée à la deuxième branche 5, et une sortie 33 raccordée à la seconde portion 22 de la branche principale 2.
L’éjecteur 30 peut agir sur une puissance thermique mise en œuvre par le premier échangeur thermique 10, en étant en mesure de faire varier cette puissance thermique de la puissance maximale du premier échangeur thermique 10 à toutes puissances thermiques inférieures à cette puissance maximale.
L’éjecteur 30 permet également de disposer de deux pressions d’évaporation distinctes dans les échangeurs 10 et 14, par exemple la pression d’évaporation dans l’échangeur thermique 10 est supérieure à celle de l’échangeur thermique 14.
Le deuxième échangeur thermique 14 est destiné à traiter thermiquement un flux d’air intérieur qui est envoyé à l’intérieur de l’habitacle du véhicule. Le deuxième échangeur thermique 14 peut être installé à l’intérieur d’une installation de ventilation, chauffage et/ou climatisation qui coopère avec le circuit 1, pour former un système de traitement thermique du véhicule automobile. Ce deuxième échangeur thermique 14 peut alors être utilisé en tant qu’évaporateur pour refroidir le flux d’air intérieur qui est envoyé dans l’habitacle du véhicule.
Le circuit 1 selon l’invention peut également comporter une canalisation 34 disposée en parallèle de la seconde portion 22 de la branche principale 2. Cette canalisation 34 s’étend ainsi de la deuxième branche 5 à la branche principale 2. La canalisation 34 s’étend entre un premier point 35, situé entre une sortie du deuxième échangeur thermique 14 et une entrée de la vanne d’arrêt 8, et un deuxième point 36 disposé entre une sortie du premier échangeur de chaleur interne 15 et l’entrée 21 du dispositif de compression 9.
La canalisation 34 peut comprendre une vanne d’arrêt 37 qui autorise ou interdit la circulation du fluide réfrigérant dans la canalisation 34, depuis le premier point 35 et vers le deuxième point 36.
La figure 2 montre un deuxième mode de réalisation du circuit 1 de fluide réfrigérant. Les composants et leurs dispositions relatives sont identiques à ce qui a été décrit en rapport avec la figure i à l’exception de ce qui suit. Pour ces éléments identiques, on se reportera à la description de la figure i pour en comprendre les caractéristiques techniques.
Dans ce mode de réalisation, l’organe de contrôle 13 prend la forme d’un détendeur thermostatique 38 incluant la fonction vanne d’arrêt. La détente du fluide réfrigérant opérée par ce détendeur thermostatique 38 est placée sous la dépendance de la température du fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique 14. Ce détendeur thermostatique 38 peut également fermer totalement le circuit, et ainsi empêcher toute circulation de fluide réfrigérant dans la deuxième branche 5. On notera que dans une telle situation, la deuxième branche 5 peut être dépourvue de la vanne d’arrêt 8 qui est disposée entre la sortie du deuxième échangeur thermique 14 et l’entrée secondaire 32 de l’éjecteur 30 dans le premier mode réalisation illustré à la figure 1.
Dans les figures 3 à 5, les traits forts illustrent le fluide réfrigérant FR quand il est soumis à haute pression et haute température, tandis que les traits fins montrent le fluide réfrigérant FR quand il est à basse pression et basse température.
La figure 3 montre le circuit 1 illustré à la figure 1 et utilisé en mode de refroidissement simultané du dispositif de stockage électrique 11 et de l’habitacle. C’est notamment le cas d’une charge rapide imposée au dispositif de stockage électrique 11, alors que les occupants restent dans le véhicule pendant le temps de cette charge rapide.
Dans un tel mode, le dispositif de compression 9 est en fonctionnement et comprime le fluide réfrigérant FR. L’échangeur de chaleur principal 3 décharge les calories du fluide réfrigérant FR dans le flux d’air extérieur Fl. Le fluide réfrigérant FR ainsi soumis à haute pression traverse la première nappe 25 du premier échangeur de chaleur interne 15, et il échange des calories avec le fluide réfrigérant FR qui circule dans la seconde portion 22 de la branche principale 2. En sortie de la première nappe 25, le fluide réfrigérant FR poursuit son parcours et traverse la première passe 27 du deuxième échangeur de chaleur interne 18, et il échange des calories avec le fluide réfrigérant FR qui circule dans la deuxième branche 5.
Arrivée au point de divergence 6, le fluide réfrigérant FR se sépare en deux pour alimenter chacune des branches 4, 5. Le fluide réfrigérant FR circule ainsi à la fois dans la première branche 4 et dans la deuxième branche 5. Le dispositif de contrôle 16 est en position ouverte et autorise la circulation du fluide réfrigérant jusqu’à l’entrée primaire 31 de l’éjecteur 30. La forme de ce dernier provoque un effet Venturi qui aspire le fluide réfrigérant FR présent dans la deuxième branche 5·
L’organe de détente 12 génère une chute de pression qui permet au deuxième échangeur thermique 14 de se comporter comme évaporateur. Il est alors possible de refroidir un flux d’air intérieur F2 qui traverse le deuxième échangeur thermique 14 avant que celui-ci ne soit envoyé dans l’habitacle du véhicule.
L’organe de contrôle 13 est placé dans une position ouverte, autorisant ainsi le fluide réfrigérant FR présent dans la deuxième branche 5 à rejoindre l’entrée secondaire 32 de l’éjecteur 30. Le fluide réfrigérant FR qui entre dans l’éjecteur 30 par l’entrée secondaire 32 est aspiré par le fluide réfrigérant FR qui entre par l’entrée principale 31, et ces deux parties de fluide réfrigérant se combinent en sortie de l’éjecteur 3 pour alimenter la seconde portion 22 de la branche principale
2.
La circulation de fluide réfrigérant FR est interdite dans la canalisation 34, grâce au fait que la vanne d’arrêt 37 est placée dans une position de fermeture.
Le fluide réfrigérant FR passe alors dans le premier échangeur thermique 10 où il refroidit le liquide caloporteur LC qui circule dans la boucle de liquide caloporteur 17. Ce faisant, le dispositif de stockage électrique 11 est refroidi par l’intermédiaire du troisième échangeur thermique 23.
L’invention permet de réaliser deux échanges de chaleur interne qui in fine améliorent la performance globale du circuit 1 de fluide réfrigérant FR, cette amélioration étant réalisée par le premier échangeur de chaleur interne 15 et par le deuxième échangeur de chaleur interne 18 tels que décrits ci-dessus.
La figure 4 montre le circuit 1 illustré aux figures 1 et 3 et utilisé en mode de refroidissement prioritaire du dispositif de stockage électrique 11, c’est-à-dire un mode où l’énergie thermique est concentrée pour refroidir le dispositif de stockage thermique il. C’est notamment le cas d’une charge rapide imposé au dispositif de stockage électrique il, alors que les occupants n’occupent pas le véhicule pendant le temps de cette charge rapide. L’habitacle n’est ainsi pas refroidi.
Dans un tel mode, le dispositif de compression 9 est en fonctionnement et comprime le fluide réfrigérant FR. L’échangeur de chaleur principal 3 décharge les calories du fluide réfrigérant FR dans le flux d’air extérieur Fl. Le fluide réfrigérant FR circule dans la branche principale 2 et ensuite exclusivement dans la première branche 4.
L’éjecteur 30 réalise une détente du fluide réfrigérant FR et le premier échangeur thermique 10 refroidit le dispositif de stockage électrique 11. Le fluide réfrigérant FR est ensuite aspiré par le dispositif de compression 9 pour mettre en œuvre un nouveau cycle thermodynamique.
Du côté de la deuxième branche 5, la vanne d’arrêt 37 et l’organe de contrôle 13, qu’il soit placé en amont ou en aval du deuxième échangeur thermique 14, sont fermés, interdisant toute circulation de fluide réfrigérant dans le deuxième échangeur thermique 14. Ce dernier est ainsi inopérant.
Dans ce mode de fonctionnement, le premier échangeur de chaleur interne 15 est actif et réalise un transfert de chaleur entre le fluide réfrigérant FR à haute pression et haute température qui circule dans la première portion 20 de la branche principale 2 et le fluide réfrigérant FR circulant à basse pression et basse température dans la seconde portion 22 de la branche principale 2. La première passe 25 échange ainsi des calories avec la deuxième passe 26. Dans cette situation, le deuxième échangeur de chaleur interne 18 est inopérant.
La figure 5 montre le circuit 1 illustré aux figures 1, 3 et 4 utilisé en mode de refroidissement prioritaire de l’habitacle du véhicule, c’est-à-dire un mode où l’énergie thermique est concentrée pour refroidir rapidement le flux d’air intérieur F2 envoyé dans l’habitacle. Ce mode peut être activé quand la température extérieure à l’habitacle est importante, par exemple supérieure à 3O°C, et que les utilisateurs du véhicule souhaitent refroidir très rapidement l’habitacle. Le refroidissement du dispositif de stockage électrique il n’est pas assuré dans ce mode.
Dans un tel mode, le dispositif de compression 9 est en fonctionnement et comprime le fluide réfrigérant FR. L’échangeur de chaleur principal 3 décharge les calories du fluide réfrigérant FR dans le flux d’air extérieur Fl. Le fluide réfrigérant FR circule dans la branche principale 2 et ensuite exclusivement dans la deuxième branche 5, grâce au fait que le premier dispositif de contrôle 16 est fermé. Toute circulation de fluide réfrigérant dans le premier échangeur thermique 10 est ainsi empêchée.
L’organe de détente 12 réalise une détente du fluide réfrigérant FR et le deuxième échangeur thermique 14 refroidit le flux d’air intérieur F2 envoyé vers l’habitacle. L’ouverture variable du deuxième organe de détente 12 gère la puissance frigorifique qu’il convient d’appliquer au flux d’air intérieur F2 pour atteindre la température demandée dans l’habitacle. Le fluide réfrigérant FR est aspiré par le dispositif de compression 9, grâce au fait qu’une partie du fluide réfrigérant qui a traversé le deuxième échangeur thermique 14 passe par la canalisation 34. Pour ce faire, la vanne d’arrêt 37 est placée dans une position ouverte où elle autorise une circulation du fluide réfrigérant depuis la deuxième branche 5 vers le dispositif de compression 9.
Dans ce mode de fonctionnement, le deuxième échangeur de chaleur interne 18 met en œuvre un échange thermique entre le fluide réfrigérant FR à haute pression et haute température qui passe dans la première nappe 27 et le fluide réfrigérant à basse pression et basse température qui passe dans la deuxième nappe 28.
Les modes de fonctionnement décrits en rapport avec les figures 3 à 5 s’appliquent de la même manière au deuxième mode de réalisation tel qu’il est illustré à la figure 2.
Le circuit 1 de fluide réfrigérant FR selon le premier mode de réalisation ou selon le deuxième mode de réalisation peut comprendre des moyens pour acquérir des informations relatives au circuit 1, au dispositif de stockage électrique 11 ou à l’habitacle, et des moyens pour agir sur les composants de ce circuit 1 de manière à atteindre des consignes fixées, notamment des températures de fluide réfrigérant ou des vitesses de rotation du dispositif de compression 9. Cette gestion du circuit 1 peut être opérée par un dispositif de contrôle qui peut prendre la forme d’un 5 boîtier ou d’une unité électronique. Ce dispositif de contrôle agit sur la vitesse de rotation du dispositif de compression 9, notamment quand il s’agit de compresseur à moteur électrique intégré et à cylindrée fixe.
La description ci-dessus est donnée à titre d’exemple, et on comprend que l’invention couvre plus largement l’utilisation de deux échangeurs de chaleur 10 interne, dont l’un est constitutif d’une branche du circuit dédiée au refroidissement du dispositif de stockage électrique, tandis que l’autre échangeur de chaleur interne est constitutif d’une branche du circuit dédiée au refroidissement de l’habitacle du véhicule.
L’invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations 15 décrits et illustrés ici, et elle s’étend également à tous moyens ou configurations équivalentes et à toute combinaison techniquement opérant de tels moyens. En particulier, l’architecture du circuit de fluide réfrigérant peut être modifiée sans nuire à l’invention dans la mesure où il remplit les fonctionnalités décrites dans le présent document.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Circuit (1) pour véhicule automobile configuré pour être parcouru par un fluide réfrigérant (FR), le circuit (1) comprenant au moins une branche principale (2) comprenant au moins un échangeur de chaleur principal (3) et un dispositif de compression (9) du fluide réfrigérant (FR), ainsi qu’une première branche (4) et une deuxième branche (5) qui s’étendent entre un point de divergence (6) et un point de convergence (7) et qui sont toutes deux interposées entre une première portion (20) de la branche principale (2) et une seconde portion (22) de la branche principale (2), la première branche (4) comprenant au moins un premier échangeur thermique (10) couplé thermiquement à un dispositif de stockage électrique (11) du véhicule, la deuxième branche (5) comprenant au moins un deuxième échangeur thermique (14) configuré pour traiter thermiquement un habitacle du véhicule, caractérisé en ce que le circuit (1) comprend un premier échangeur de chaleur interne (15) apte à réaliser un échange de chaleur entre la première portion (20) de la branche principale (2) et la seconde portion (22) de la branche principale (2), ainsi qu’un deuxième échangeur de chaleur interne (18) apte à réaliser un échange de chaleur entre la branche principale (2) et la deuxième branche (5).
  2. 2. Circuit (1) selon la revendication 1, dans lequel le premier échangeur de chaleur interne (15) comprend une première passe (25) apte à être parcourue par le fluide réfrigérant (FR) et disposée dans la première portion (20) de la branche principale (2), ainsi qu’une deuxième passe (26) apte à être parcourue par le fluide réfrigérant (FR) et disposée dans la seconde portion (22) de la branche principale (2), la première passe (25) et la deuxième passe (26) étant configurées pour échanger thermiquement l’une avec l’autre.
  3. 3. Circuit (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur interne (18) comprend une première nappe (27) apte à être parcourue par le fluide réfrigérant (FR) et disposée sur la branche principale (2), ainsi qu’une deuxième nappe (28) apte à être parcourue par le fluide réfrigérant (FR) et disposée sur la deuxième branche (5), la première nappe (27) et la deuxième nappe (28) étant configurées pour échanger thermiquement l’une avec l’autre.
  4. 4· Circuit (ι) selon la revendication 3, dans lequel la première passe (25) et la première nappe (27) sont disposées en série dans la branche principale (2).
  5. 5. Circuit (1) selon la revendication précédente, dans lequel la première passe (25) et la première nappe (27) sont disposées de manière à ce que le fluide réfrigérant (FR) circule d’abord dans la première passe (25) puis dans la première nappe (27).
  6. 6. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le point de convergence (7) est formé au moins par un éjecteur (30).
  7. 7. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de contrôle (16) de la circulation du fluide réfrigérant (FR) au sein de la première branche (4).
  8. 8. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un organe de contrôle (13) de la circulation du fluide réfrigérant (FR) au sein de la deuxième branche (5).
  9. 9. Circuit (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une canalisation (34) relie la deuxième branche (5) à une entrée (21) du dispositif de compression (9).
  10. 10. Système de traitement thermique d’un véhicule automobile, comprenant un dispositif de stockage électrique (11) du véhicule automobile et un circuit (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le premier échangeur thermique (10) coopère avec le dispositif de stockage électrique (11) de manière à assurer au moins son refroidissement.
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