WO2001087653A1 - Dispositif de regulation thermique perfectionne a pompe a chaleur pour vehicule automobile - Google Patents

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    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/14—Condenser

Definitions

  • the present invention relates to an improved thermal regulation device with a heat pump for a motor vehicle.
  • a thermal regulation device for a motor vehicle comprising: a heat pump comprising a main circuit of compression refrigerant taking calories from a cold source to transfer them to a hot source, the cold source comprising a first refrigerant / coolant heat exchanger thermally coupling the main refrigerant circuit to a first secondary coolant circuit which can be selectively connected to at least two heat exchangers, the hot source comprising a second refrigerant / coolant heat exchanger thermally coupling the main refrigerant circuit to a second secondary coolant circuit which can be selectively connected to at least two heat exchangers.
  • the compression circuit usually comprises an evaporator, in heat exchange with the cold source, and a condenser, in heat exchange with the hot source, these elements being connected together by a compressor and an expansion valve.
  • the refrigerant vaporizes in the evaporator, removing heat from the cold source.
  • the compressor draws in the vaporized refrigerant and discharges it into the cooled condenser (by heat exchange with the hot source) in which it condenses.
  • the expansion valve lets the liquid refrigerant through to the evaporator by lowering its pressure.
  • a heat pump can be used either to heat a space or an organ or to cool this space or this organ.
  • the secondary circuits can be selectively connected, by means of suitable valves, to an external heat exchanger, placed in the engine compartment of the vehicle, and to an internal heat exchanger, placed in the passenger compartment of the vehicle.
  • an external heat exchanger placed in the engine compartment of the vehicle
  • an internal heat exchanger placed in the passenger compartment of the vehicle.
  • the performance of the heat pump is limited by the temperature of the outside air.
  • the air temperature is not sufficient to obtain satisfactory performance from the heat pump, when the latter is used for heating the passenger compartment.
  • icing of the cold source in the cold season can adversely affect the operating performance of the heat pump.
  • FR-2 697 210 proposes to overcome this drawback by means of an auxiliary heat exchanger arranged in the vicinity of the interior heat exchanger.
  • this auxiliary exchanger is not functional in certain cases, in particular for mid-season temperatures close to 15 ° C.
  • the object of the invention is to optimize the performance of a heat regulation device with a heat pump, in particular when it is used to heat or cool the passenger compartment of a motor vehicle or even when it is used to regulate thermally. an organ of this vehicle.
  • the subject of the invention is a thermal regulation device for a motor vehicle, of the aforementioned type, characterized in that the first secondary circuit can be selectively connected to a so-called external heat exchanger and a so-called cold heat exchanger, and in that the second secondary circuit can be selectively connected to the external exchanger and a so-called hot heat exchanger. According to other characteristics of different embodiments of this device
  • the cold and hot exchangers are arranged in a passenger compartment of the vehicle;
  • the external exchanger is a heat transfer liquid / air exchanger;
  • the cold exchanger is a heat transfer liquid / air exchanger
  • the hot exchanger is a heat transfer liquid / air exchanger
  • the first secondary coolant circuit includes a three-way valve connected to the outlet of the first refrigerant / coolant heat exchanger from the cold source, to the inlet of the external heat exchanger and to the inlet of the cold heat exchanger;
  • the second secondary coolant circuit includes a three-way valve connected to the outlet of the second refrigerant / heat exchanger from the hot source, to the inlet of the external exchanger and to the inlet of the hot exchanger ;
  • the first and second secondary coolant circuits include a common three-way valve connected to the inlet of the first refrigerant / coolant heat exchanger from the cold source, to the inlet of the second coolant / coolant heat exchanger from the source hot and at the outlet of the external exchanger; the first secondary circuit can be selectively connected to an additional external heat exchanger;
  • the additional external exchanger is a heat-transfer liquid exchanger / vector of calories coming directly or indirectly from a gas, in particular an exhaust gas from an engine of the vehicle, from a liquid, in particular a coolant from the engine of the vehicle, or a solid, in particular at least one electrical or electronic component of the vehicle, this vector of calories is chosen so that the additional external exchanger forms, with respect to the heat-transfer liquid circulating in the first secondary circuit, a cold source hotter than the outdoor heat exchanger;
  • the first secondary coolant circuit includes an additional three-way valve connected to the outlet of the first refrigerant / coolant heat exchanger from the cold source, to the inlet of the outdoor heat exchanger and to the inlet of the outdoor heat exchanger additional;
  • the hot exchanger is connected to a branch of a coolant circuit of a heat engine of the vehicle, the downstream end of the branch being connected to a coolant inlet of the hot exchanger and the end upstream of the branch being connected to an outlet for heat transfer liquid from the hot exchanger;
  • the thermal regulation device comprises a subsidiary heat exchanger in heat exchange with a member of the vehicle to be thermally regulated, connected in parallel to the cold and hot exchangers;
  • the first secondary heat transfer liquid circuit includes a three-way subsidiary valve connected to the outlet of the first refrigerant / heat transfer liquid heat exchanger from the cold source, to the inlet of the subsidiary heat exchanger and to the inlet of the heat exchanger cold;
  • the second secondary coolant circuit includes a three-way subsidiary valve connected to the outlet of the second refrigerant / coolant exchanger from the hot source, to the inlet of the subsidiary exchanger and to the inlet of the hot exchanger ;
  • the first and second secondary coolant circuits include a common subsidiary three-way valve connected to the inlet of the first coolant / coolant heat exchanger from the cold source, to the inlet of the second coolant / coolant heat exchanger of the hot spring and at the outlet of the subsidiary exchanger;
  • the main refrigerant circuit comprising the two heat exchangers in which the refrigerant circulates consists of several sections grouped together in a single module, in which the refrigerant circulates, intended to be connected to the secondary circuits of heat transfer liquid via refrigerant / heat transfer liquid heat exchangers, the sections being preferably connected to each other by welding;
  • the heat transfer liquid from at least one of the first and second secondary circuits is a mixture of water and antifreeze.
  • FIGS. 1 to 3 show a thermal regulation device for a motor vehicle according to a first embodiment of the invention, designated by the general reference 10.
  • the thermal regulation device 10 comprises a heat pump 12 comprising a main circuit 14 of refrigerant, of the compression type, taking calories from a cold source 16 to transfer them at least partially to a hot source 18.
  • the cold 16 and hot 18 sources are connected together by a compressor 20 (electric or mechanical) and an expansion valve 22.
  • the refrigerant vaporizes by removing heat from the cold source 16.
  • the compressor 20 sucks the vaporized fluid and pushes it back towards the hot spring where it condenses while cooling.
  • the expansion valve 22 lets the liquid refrigerant pass to the cold source 16 by lowering its pressure.
  • the direction of circulation of the refrigerant in the circuit 14 is indicated by arrows in FIG. 1.
  • the cold source 16 comprises a first heat exchanger 24 refrigerant / coolant thermally coupling the main circuit 14 of refrigerant to a first secondary circuit 26 of coolant.
  • the latter comprises a pump 28 for circulating the coolant, connected to the inlet of the first heat exchanger 24.
  • the first secondary circuit 26 can be selectively connected to a so-called external heat exchanger 30 and to a so-called cold heat exchanger 32.
  • the external exchanger 30 is a heat transfer liquid / air exchanger, placed in the engine compartment M of the vehicle, and the cold exchanger 32 is a heat transfer liquid / air exchanger, placed in the passenger compartment H of the vehicle.
  • the hot source 18 comprises a second heat exchanger 34, refrigerant / heat transfer liquid thermally coupling the main circuit 14 of refrigerant to a second secondary circuit 36 of heat transfer liquid.
  • the latter comprises a pump 38 for circulating the coolant, connected to the inlet of the second heat exchanger 34.
  • the second secondary circuit 36 can be selectively connected to the external exchanger 30 and to a so-called hot heat exchanger 39.
  • the hot exchanger 39 is a heat transfer liquid / air exchanger placed in the passenger compartment H of the vehicle.
  • a conventional fan not shown in the figures, makes it possible to circulate an air flow through the cold 32 and hot 39 exchangers.
  • the heat pump 12, connected to the first and second heat exchangers 24, 34 is arranged for example in the engine compartment of the vehicle.
  • the refrigerant circulating in the main circuit is of a conventional type.
  • This refrigerant is chosen, for example, from a chlorinated and fluorinated derivative of methane or ethane (Freon), a hydrocarbon, ammonia or carbon dioxide.
  • the heat pump 12 will be adapted with the conventional members specific to this use.
  • Figure 7 there is shown the heat pump 12 adapted for the use of carbon dioxide.
  • the circuit 14 includes an accumulator A connected to the outlet of the first heat exchanger 24 (also called an evaporator) and an oil separator S
  • the carbon dioxide circuit 14 also includes an internal exchanger I thermally coupling a branch of the circuit 14 connecting the second heat exchanger 34 to the expansion valve 22 and a branch of the circuit 14 connecting the accumulator A to the compressor 20.
  • the heat transfer liquid circulating in the first 26 or second 36 secondary circuit is preferably a mixture of water and antifreeze (glycol).
  • connection of the two secondary circuits 26, 36 of heat transfer liquid, respectively to the external exchangers 30, cold 32, and hot 39, is carried out by means of a three-way valve 40 of the first secondary circuit, of a three-way valve 42 of the second secondary circuit and a three-way valve 44 common to the two secondary circuits.
  • the three-way valve 40 of the first secondary circuit 26 is connected to the outlet of the first heat exchanger 24 refrigerant / coolant from the cold source, to the inlet of the external heat exchanger 30 and to the inlet of the cold heat exchanger 32.
  • the valve 42 of the second secondary circuit 36 is connected to the outlet of the second heat exchanger 34 refrigerant / heat transfer liquid from the hot source, to the inlet of the external exchanger 30 and to the inlet of the hot exchanger 39.
  • the valve 44 common to the first 26 and second 36 secondary coolant circuits is connected to the inlet of the first heat exchanger 24 refrigerant / coolant from the cold source, to the inlet of the second heat exchanger 34 coolant / liquid heat carrier from the hot spring and at the outlet of the external heat exchanger 30.
  • valves 40 to 44 are controlled by conventional electrical means.
  • FIG. 1 illustrates the configuration of the thermal regulation device 10 in the vehicle interior refrigeration mode.
  • the valves 40 to 44 are adjusted so as to connect the first secondary circuit 26 of heat transfer liquid to the cold exchanger and the second secondary circuit 36 of heat transfer liquid to the external exchanger 30.
  • the heat transfer liquid from the first secondary circuit 26 draws calories from the passenger compartment, via the cold exchanger 32, and returns them to the vaporized refrigerant, via the first heat exchanger 24 refrigerant / heat transfer liquid.
  • the heat transfer liquid of the second secondary circuit 36 draws calories from the condensed refrigerant, via the second heat exchanger 34 refrigerant / heat transfer liquid, and discharges them outside the vehicle, via the external exchanger. 30.
  • FIG. 2 illustrates the device 10 in a configuration for heating the passenger compartment.
  • the valves 40 to 44 are adjusted so as to connect the first secondary circuit 26 of heat transfer liquid to the external exchanger 30 and the second secondary circuit 36 of heat transfer liquid to the hot exchanger 39.
  • the heat transfer liquid of the first secondary circuit 26 takes calories from the outside of the vehicle, via the external exchanger 30, and returns them to the vaporized refrigerant, via the first heat exchanger 24 refrigerant / liquid. coolant.
  • the heat transfer liquid of the second secondary circuit 36 draws calories from the condensed refrigerant, via the second exchanger thermal 34 refrigerant / heat transfer liquid, and restores them in the passenger compartment, via the hot exchanger 39.
  • FIG. 3 illustrates the device 10 in a configuration in which the two secondary circuits 26, 36 are connected to both the cold 32 and hot exchangers 39 by an appropriate adjustment of the valves 40 to 44.
  • This configuration allows, for example, accelerate the heating of the passenger compartment while controlling the relative humidity in it.
  • the first secondary circuit 26 can be selectively connected to the cold heat exchanger 32, the exterior heat exchanger 30 and an additional exterior heat exchanger 30A.
  • the latter is a heat-transfer liquid / heat vector exchanger coming directly or indirectly from a gas, in particular the exhaust gas from the vehicle engine, from a liquid, especially the coolant from the vehicle engine, or from a solid, in particular at least one electrical or electronic component of the vehicle.
  • This vector of calories is chosen so that the additional external exchanger 30A forms, with respect to the heat transfer liquid circulating in the first secondary circuit 26, a cold source hotter than the external exchanger 30.
  • the first secondary circuit 26 of heat transfer liquid comprises an additional three-way valve 46 connected to the outlet of the first heat exchanger 24 refrigerant / heat transfer liquid from the cold source 16, to the inlet of the external heat exchanger 30 and to the inlet of the additional external heat exchanger 30A.
  • This additional valve 46 makes it possible to connect the first secondary circuit 26 selectively to the external 30 and additional external 30A heat exchangers.
  • the additional external exchanger 30A forms, vis-à-vis the heat transfer liquid circulating in the first secondary circuit 26, a cold source hotter than the external exchanger 30.
  • the additional external exchanger 30A makes it possible to advantageously recover the calories dissipated by various organs of the vehicle and generally lost.
  • the hot exchanger 39 is capable of restoring calories to the passenger compartment coming from the coolant of the vehicle engine.
  • the hot exchanger 39 is connected to a branch 48 of a coolant circuit of the engine 50 of the vehicle.
  • the latter is of course arranged in compartment M.
  • the downstream end of the branch 48 is connected to an inlet for heat transfer liquid of the hot exchanger 39.
  • the upstream end of the branch 48 is connected to an outlet for heat transfer liquid of the hot exchanger 39.
  • a valve 52 makes it possible to adjust the flow rate of cooling liquid circulating in the hot exchanger 39, coming from the upstream end of the branch 48.
  • the third embodiment of the invention makes it possible to heat the passenger compartment by means of calories coming from the engine cooling circuit by using the hot exchanger 39, without resorting to an additional exchanger specific to the cooling circuit.
  • the thermal regulation device according to the invention can be used to regulate the temperature of a space of the vehicle other than the passenger compartment or of any organ of the vehicle.
  • the thermal regulation device 10 comprises a subsidiary heat exchanger 54 in heat exchange with a member of the vehicle to be thermally regulated, for example a member arranged in the passenger compartment such as an electronic unit.
  • This subsidiary exchanger 54 is connected in parallel to the cold 32 and hot 39 exchangers using the means described below.
  • the first secondary circuit 26 of heat transfer liquid comprises a subsidiary three-way valve 56 connected to the outlet of the first heat exchanger 24 refrigerant / heat transfer liquid from the cold source, to the inlet of the subsidiary heat exchanger 54 and to the inlet of the cold exchanger 32.
  • the second secondary circuit 36 of heat transfer liquid comprises a subsidiary three-way valve 58 connected to the outlet of the second heat exchanger 34 of coolant / heat transfer liquid from the hot source, at the inlet of the subsidiary heat exchanger 54 and at the inlet of the hot exchanger 39.
  • the first 26 and second 36 secondary circuits of heat transfer liquid comprise a common three-way auxiliary valve 60 connected to the inlet of the first heat exchanger 24 refrigerant / heat transfer liquid of the cold source, at the inlet of the second heat exchanger 34 refrigerant / heat transfer liquid from the hot source and at the outlet of the subsidiary exchanger 54.
  • the adjustment of the three-way valves 56 to 60 makes it possible to control the temperature of the member to be thermally regulated by controlling the flow rates of the heat-transfer liquids coming from the secondary circuits 26 and 36 and passing through the subsidiary exchanger 54.
  • the cold 32 and hot 39 heat exchangers have specific functions, one being intended to cool and the other to heat. Therefore, their operation can be optimized.
  • the main refrigerant circuit 14, comprising in particular the two heat exchangers 24, 34 in which the refrigerant circulates, the compressor 20 and the expansion valve 22, consists of several sections which are advantageously grouped in a single module in which the refrigerant circulates.
  • the sections are preferably connected to each other by welding so as to form solid and tight connections capable of withstanding high pressures, which may exceed for example 100 bars (10 7 Pa), in particular when the refrigerant consists of dioxide of carbon.
  • the module consisting of the refrigerant circuit can be assembled and charged with refrigerant before it is mounted in the vehicle.
  • the module is connected to the secondary circuits 26, 36 of heat transfer liquid via the heat exchangers 24, 34 refrigerant / heat transfer liquid.
  • the module advantageously mounted in the engine compartment of the vehicle, is isolated from the passenger compartment which avoids the risks of leakage of refrigerant in this passenger compartment and protects the latter from noise pollution.

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Abstract

Ce dispositif de régulation thermique comprend une pompe à chaleur (12) comportant un circuit principal (14) de fluide frigorigène à compression prélevant des calories d'une source froide (16) pour les transférer vers une source chaude (8). La source froide (16) comporte un premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène à un premier circuit couplant thermiquement le circuit principal (14) de fluide frigorigène à un premier circuit secondaire (26) de liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à un échangeur thermique dit extérieur (30) et un échangeur thermique dit froid (32). La source chaude (18) comporte un second échangeur thermique (34) fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à l'échangeur extérieur (30) et un échangeur thermique dit chaud (39). Application en particulier à la climatisation d'un habitacle du véhicule automobile et/ou à la régulatioFI0100436ue d'un organe de ce véhicule.

Description

Dispositif de régulation thermique perfectionné à pompe à chaleur pour véhicule automobile
La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique perfectionné à pompe à chaleur pour véhicule automobile.
Elle s'applique en particulier à la climatisation d'un habitacle du véhicule automobile et/ou à la régulation thermique d'un organe de ce véhicule.
On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après FR- 2 697 210, un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type comprenant : une pompe à chaleur comportant un circuit principal de fluide frigorigène à compression prélevant des calories d'une source froide pour les transférer vers une source chaude, - la source froide comportant un premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal de fluide frigorigène à un premier circuit secondaire de liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à au moins deux échangeurs thermiques, la source chaude comportant un second échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal de fluide frigorigène à un second circuit secondaire de liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à au moins deux échangeurs thermiques.
Le circuit à compression comprend habituellement un évaporateur, en échange thermique avec la source froide, et un condenseur, en échange thermique avec la source chaude, ces éléments étant raccordés entre eux par un compresseur et un détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise dans l'evaporateur en enlevant de la chaleur à la source froide. Le compresseur aspire le fluide frigorigène vaporisé et le refoule dans le condenseur refroidi (par échange thermique avec la source chaude) dans lequel il se condense. Le détendeur laisse passer le fluide frigorigène liquide vers l'evaporateur en abaissant sa pression.
Une pompe à chaleur peut être utilisée soit pour chauffer un espace ou un organe soit pour refroidir cet espace ou cet organe.
Dans FR-2 697 210, les circuits secondaires peuvent être raccordés sélectivement, par l'intermédiaire de vannes appropriées, à un échangeur thermique extérieur, placé dans le compartiment moteur du véhicule, et à un échangeur thermique intérieur, placé dans l'habitacle du véhicule. En agissant sur les vannes, on peut utiliser la pompe à chaleur soit pour réfrigérer l'habitacle d'un véhicule (dans ce premier cas, la source chaude est l'échangeur thermique extérieur et la source froide est l'échangeur thermique intérieur), soit pour réchauffer l'habitacle (dans ce second cas, la source chaude est l'échangeur thermique intérieur et la source froide est l'échangeur thermique extérieur).
On notera dans ce dernier cas que les performances de la pompe à chaleur sont limitées par la température de l'air extérieur. En effet, en saison froide, la température de l'air n'est pas suffisante pour obtenir un rendement satisfaisant de la pompe à chaleur, lorsque celle-ci est utilisée à des fins de chauffage de l'habitacle. Par ailleurs, le givrage de la source froide en saison froide peut nuire aux performances de fonctionnement de la pompe à chaleur.
Par ailleurs, la réversibilité des échangeurs extérieur et intérieur (utilisés chacun soit comme source chaude soit comme source froide) conduit essentiellement aux deux inconvénients suivants :
1) la performance de chaque échangeur est limitée du fait qu'elle ne peut pas être optimisée pour un fonctionnement spécifique de l'échangeur en source chaude ou bien en source froide ; 2) l'hygrométrie de l'air environnant l'échangeur thermique intérieur est difficile à contrôler.
Le second inconvénient se révèle tout particulièrement lors de la climatisation de l'habitacle du véhicule en mi-saison. Dans ce cas, l'échangeur thermique intérieur est susceptible de connaître de fréquentes alternances de ses modes de fonctionnement de réfrigération et de chauffage de l'habitacle. Ainsi, en mode réfrigération, l'échangeur thermique intérieur se charge d'eau. Lorsque ce dernier passe en mode chauffage, l'eau accumulée en mode réfrigération est évacuée dans l'habitacle par évaporation. FR-2 697 210 propose de pallier cet inconvénient au moyen d'un échangeur thermique auxiliaire agencé au voisinage de l'échangeur thermique intérieur. Toutefois, cet échangeur auxiliaire n'est pas fonctionnel dans certains cas notamment pour des températures de mi-saison voisines de 15°C.
L'invention a pour but d'optimiser les performances d'un dispositif de régulation thermique à pompe à chaleur notamment lorsqu'il est utilisé pour réchauffer ou réfrigérer l'habitacle d'un véhicule automobile ou encore lorsqu'il est utilisé pour réguler thermiquement un organe de ce véhicule.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type précité, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire peut être raccordé sélectivement à un échangeur thermique dit extérieur et un échangeur thermique dit froid, et en ce que le second circuit secondaire peut être raccordé sélectivement à l'échangeur extérieur et un échangeur thermique dit chaud. Suivant d'autres caractéristiques de différents modes de réalisation de ce dispositif
- les échangeurs froid et chaud sont agencés dans un habitacle du véhicule ; - l'échangeur extérieur est un échangeur liquide caloporteur/air ;
- l'échangeur froid est un échangeur liquide caloporteur/air ;
- l'échangeur chaud est un échangeur liquide caloporteur/air ; le premier circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies raccordée à la sortie du premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur extérieur et à l'entrée de l'échangeur froid ;
- le second circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies raccordée à la sortie du second échangeur de fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur extérieur et à l'entrée de l'échangeur chaud ; les premier et second circuits secondaires de liquide caloporteur comprennent une vanne trois voies commune raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur extérieur ; le premier circuit secondaire peut être raccordé sélectivement à un échangeur thermique extérieur supplémentaire ;
- l'échangeur extérieur supplémentaire est un échangeur liquide caloporteur/vecteur de calories provenant directement ou indirectement d'un gaz, notamment un gaz d'échappement d'un moteur du véhicule, d'un liquide, notamment un liquide de refroidissement du moteur du véhicule, ou d'un solide, notamment au moins un composant électrique ou électronique du véhicule, ce vecteur de calories est choisi de façon que l'échangeur extérieur supplémentaire forme, vis-à-vis du liquide caloporteur circulant dans le premier circuit secondaire, une source froide plus chaude que l'échangeur extérieur ; le premier circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies supplémentaire raccordée à la sortie du premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur extérieur et à l'entrée de l'échangeur extérieur supplémentaire ; - l'échangeur chaud est raccordé à une branche d'un circuit de liquide de refroidissement d'un moteur thermique du véhicule, l'extrémité aval de la branche étant raccordée à une entrée de liquide caloporteur de l'échangeur chaud et l'extrémité amont de la branche étant raccordée à une sortie de liquide caloporteur de l'échangeur chaud ;
- le dispositif de régulation thermique comprend un échangeur thermique subsidiaire en échange thermique avec un organe du véhicule à réguler thermiquement, raccordé en parallèle aux échangeurs froid et chaud ;
- le premier circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire raccordée à la sortie du premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire et à l'entrée de l'échangeur froid ; le second circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire raccordée à la sortie du second échangeur de fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire et à l'entrée de l'échangeur chaud ; les premier et second circuits secondaires de liquide caloporteur comprennent une vanne trois voies subsidiaire commune raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur subsidiaire ;
- le circuit principal de fluide frigorigène comportant les deux échangeurs thermiques dans lesquels circule le fluide frigorigène est constitué de plusieurs tronçons regroupés en un seul module, dans lequel circule le fluide frigorigène, destiné à être relié aux circuits secondaires de liquide caloporteur par l'intermédiaire des échangeurs thermiques fluide frigorigène/liquide caloporteur, les tronçons étant raccordés entre eux de préférence par soudage ; - le liquide caloporteur d'au moins un des premier et second circuits secondaires est un mélange d'eau et d'antigel. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels :
- les figures 1 à 3 sont des vues schématiques, dans trois configurations d'utilisation différentes respectivement, d'un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, selon un premier mode de réalisation de l'invention; les figures 4 à 6 sont des vues similaires aux figures précédentes d'un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, selon des deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation de l'invention respectivement ; - la figure 7 est une vue schématique d'une pompe à chaleur utilisant du dioxyde de carbone comme liquide frigorigène susceptible d'équiper un dispositif de régulation thermique selon l'un quelconque des modes de réalisation. On a représenté sur les figures 1 à 3, un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile selon un premier mode de réalisation de l'invention, désigné par la référence générale 10.
Dans ce qui suit, deux organes sont dits couplés thermiquement entre eux lorsqu'ils échangent de la chaleur entre eux au moyen d'un échangeur thermique approprié. Le dispositif de régulation thermique 10 comprend une pompe à chaleur 12 comportant un circuit principal 14 de fluide frigorigène, de type à compression, prélevant des calories d'une source froide 16 pour les transférer au moins partiellement vers une source chaude 18.
Les sources froide 16 et chaude 18 sont raccordées entre elles par un compresseur 20 (électrique ou mécanique) et une vanne de détente 22. Le fluide frigorigène se vaporise en enlevant de la chaleur à la source froide 16. Le compresseur 20 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude où il se condense en refroidissant. La vanne de détente 22 laisse passer le fluide frigorigène liquide vers la source froide 16 en abaissant sa pression. Le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit 14 est indiqué par des flèches sur la figure 1.
La source froide 16 comporte un premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal 14 de fluide frigorigène à un premier circuit secondaire 26 de liquide caloporteur. Ce dernier comporte une pompe 28 de mise en circulation du liquide caloporteur, raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique 24.
Le premier circuit secondaire 26 peut être raccordé sélectivement à un échangeur thermique dit extérieur 30 et à un échangeur thermique dit froid 32.
Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 3, l'échangeur extérieur 30 est un échangeur liquide caloporteur/air, placé dans le compartiment moteur M du véhicule, et l'échangeur froid 32 est un échangeur liquide caloporteur/air, placé dans l'habitacle H du véhicule. La source chaude 18 comporte un second échangeur thermique 34, fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal 14 de fluide frigorigène à un second circuit secondaire 36 de liquide caloporteur. Ce dernier comporte une pompe 38 de mise en circulation du liquide caloporteur, raccordée à l'entrée du second échangeur thermique 34.
Le second circuit secondaire 36 peut être raccordé sélectivement à l'échangeur extérieur 30 et à un échangeur thermique dit chaud 39.
Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 3, l'échangeur chaud 39 est un échangeur liquide caloporteur/air placé dans l'habitacle H du véhicule. Un ventilateur classique, non représenté sur les figures, permet de faire circuler un flux d'air à travers les échangeurs froid 32 et chaud 39.
La pompe à chaleur 12, raccordée aux premier et second échangeurs thermiques 24 , 34 est agencée par exemple dans le compartiment moteur du véhicule.
Le fluide frigorigène circulant dans le circuit principal est d'un type classique. Ce fluide frigorigène est choisi par exemple parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniac ou le dioxyde de carbone.
Dans le cas d'utilisation de dioxyde de carbone, on adaptera la pompe à chaleur 12 avec les organes classiques spécifiques à cette utilisation. Sur la figure 7 on a représenté la pompe à chaleur 12 adaptée pour l'utilisation de dioxyde de carbone. Dans ce cas, le circuit 14 comporte un accumulateur A raccordé à la sortie du premier échangeur thermique 24 (encore appelé évaporateur) et un séparateur d'huile S
(provenant du compresseur 20) raccordé entre le compresseur 20 et le second échangeur thermique 34 (encore appelé refroidisseur de gaz). Le circuit 14 de dioxyde de carbone comporte également un échangeur interne I couplant thermiquement une branche du circuit 14 reliant le second échangeur thermique 34 à la vanne de détente 22 et une branche du circuit 14 reliant l'accumulateur A au compresseur 20. L'accumulateur
A, le séparateur S et l'échangeur interne I sont des organes classiques habituellement prévus dans les pompes à chaleur utilisant le dioxyde de carbone comme fluide frigorigène. Le liquide caloporteur circulant dans le premier 26 ou second 36 circuit secondaire est de préférence un mélange d'eau et d'antigel (glycol).
Le raccordement des deux circuits secondaires 26, 36 de liquide caloporteur, respectivement aux échangeurs extérieur 30, froid 32, et chaud 39, est réalisé au moyen d'une vanne trois voies 40 du premier circuit secondaire, d'une vanne trois voies 42 du second circuit secondaire et d'une vanne trois voies 44 commune aux deux circuits secondaires. La vanne trois voies 40 du premier circuit secondaire 26 est raccordée à la sortie du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur extérieur 30 et à l'entrée de l'échangeur froid 32.
La vanne 42 du second circuit secondaire 36 est raccordée à la sortie du second échangeur thermique 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur extérieur 30 et à l'entrée de l'échangeur chaud 39.
La vanne 44, commune aux premier 26 et second 36 circuits secondaires de liquide caloporteur est raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur extérieur 30.
Les vannes 40 à 44 sont commandées par des moyens électriques classiques.
La figure 1 illustre la configuration du dispositif de régulation thermique 10 en mode de réfrigération de l'habitacle du véhicule. Dans ce cas, les vannes 40 à 44 sont réglées de manière à raccorder le premier circuit secondaire 26 de liquide caloporteur à l'échangeur froid et le second circuit secondaire 36 de liquide caloporteur à l'échangeur extérieur 30.
Le liquide caloporteur du premier circuit secondaire 26 prélève des calories dans l'habitacle, par l'intermédiaire de l'échangeur froid 32, et les restitue au fluide frigorigène vaporisé, par l'intermédiaire du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur.
Le liquide caloporteur du second circuit secondaire 36 prélève des calories au fluide frigorigène condensé, par l'intermédiaire du second échangeur thermique 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur, et les évacue à l'extérieur du véhicule, par l'intermédiaire de l'échangeur extérieur 30.
La figure 2 illustre le dispositif 10 dans une configuration de chauffage de l'habitacle. Dans ce cas, les vannes 40 à 44 sont réglées de manière à raccorder le premier circuit secondaire 26 de liquide caloporteur à l'échangeur extérieur 30 et le second circuit secondaire 36 de liquide caloporteur à l'échangeur chaud 39.
Le liquide caloporteur du premier circuit secondaire 26 prélève des calories à l'extérieur du véhicule, par l'intermédiaire de l'échangeur extérieur 30, et les restitue au fluide frigorigène vaporisé, par l'intermédiaire du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur. Le liquide caloporteur du second circuit secondaire 36 prélève des calories dans le fluide frigorigène condensé, par l'intermédiaire du second échangeur thermique 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur, et les restitue dans l'habitacle, par l'intermédiaire de l'échangeur chaud 39.
La figure 3 illustre le dispositif 10 dans une configuration dans laquelle les deux circuits secondaires 26, 36 sont raccordés à la fois aux échangeurs froid 32 et chaud 39 par un réglage approprié des vannes 40 à 44. Cette configuration permet, par exemple, d'accélérer le chauffage de l'habitacle tout en contrôlant le taux d'humidité relative dans celui-ci.
Sur les figures 4 à 6, on a représenté le dispositif de régulation thermique 10 selon des deuxième, troisième et quatrièmes modes de réalisation de l'invention. Sur ces figures 4 à 6, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, le premier circuit secondaire 26 peut être raccordé sélectivement à l'échangeur thermique froid 32, l'échangeur thermique extérieur 30 et un échangeur thermique extérieur supplémentaire 30A. Ce dernier est un échangeur liquide caloporteur/vecteur de calories provenant directement ou indirectement d'un gaz, notamment le gaz d'échappement du moteur du véhicule, d'un liquide, notamment le liquide de refroidissement du moteur du véhicule, ou d'un solide, notamment au moins un composant électrique ou électronique du véhicule. Ce vecteur de calories est choisi de façon que l'échangeur extérieur supplémentaire 30A forme, vis-à-vis du liquide caloporteur circulant dans le premier circuit secondaire 26, une source froide plus chaude que l'échangeur extérieur 30.
Le premier circuit secondaire 26 de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies supplémentaire 46 raccordée à la sortie du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide 16, à l'entrée de l'échangeur extérieur 30 et à l'entrée de l'échangeur extérieur supplémentaire 30A.
Cette vanne supplémentaire 46 permet de raccorder le premier circuit secondaire 26 sélectivement aux échangeurs thermiques extérieur 30 et extérieur supplémentaire 30A. Ainsi, en saison froide, lorsque le dispositif 10 est en configuration de chauffage, on préférera raccorder le premier circuit secondaire 26 à l'échangeur extérieur supplémentaire 30A plutôt qu'à l'échangeur extérieur 30 afin d'éviter le givrage de ce dernier. En effet, l'échangeur extérieur supplémentaire 30A forme, vis-à-vis du liquide caloporteur circulant dans le premier circuit secondaire 26, une source froide plus chaude que l'échangeur extérieur 30.
On notera que l'échangeur extérieur supplémentaire 30A permet de récupérer avantageusement les calories dissipées par des organes divers du véhicule et généralement perdues. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 5, l'échangeur chaud 39 est susceptible de restituer à l'habitacle des calories provenant du liquide de refroidissement du moteur du véhicule.
A cet effet, l'échangeur chaud 39 est raccordé à une branche 48 d'un circuit de liquide de refroidissement du moteur thermique 50 du véhicule. Ce dernier est bien entendu agencé dans le compartiment M. L'extrémité aval de la branche 48 est raccordée à une entrée de liquide caloporteur de l'échangeur chaud 39. L'extrémité amont de la branche 48 est raccordée à une sortie de liquide caloporteur de l'échangeur chaud 39. Le cas échéant, une vanne 52 permet de régler le débit de liquide de refroidissement circulant dans l'échangeur chaud 39, en provenance de l'extrémité amont de la branche 48.
Le troisième mode de réalisation de l'invention permet de réchauffer l'habitacle au moyen de calories provenant du circuit de refroidissement du moteur en utilisant l'échangeur chaud 39, sans recourir à un échangeur additionnel spécifique au circuit de refroidissement.
Le dispositif de régulation thermique selon l'invention peut être utilisé pour réguler la température d'un espace du véhicule autre que l'habitacle ou d'un organe quelconque du véhicule.
Cette dernière possibilité fait l'objet du quatrième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 6.
Dans ce cas, le dispositif de régulation thermique 10 comprend un échangeur thermique subsidiaire 54 en échange thermique avec un organe du véhicule à réguler thermiquement, par exemple un organe agencé dans l'habitacle tel qu'un boîtier électronique. Cet échangeur subsidiaire 54 est raccordé en parallèle aux échangeurs froid 32 et chaud 39 à l'aide des moyens décrits ci-dessous.
Le premier circuit secondaire 26 de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire 56 raccordée à la sortie du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire 54 et à l'entrée de l'échangeur froid 32. Le second circuit secondaire 36 de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire 58 raccordée à la sortie du second échangeur 34 de fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire 54 et à l'entrée de l'échangeur chaud 39.
Les premier 26 et second 36 circuits secondaires de liquide caloporteur comprennent une vanne trois voies subsidiaire 60 commune raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique 24 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur subsidiaire 54.
Le réglage des vannes trois voies 56 à 60 permet de contrôler la température de l'organe à réguler thermiquement en contrôlant les débits des liquides caloporteurs provenant des circuits secondaires 26 et 36 et traversant l'échangeur subsidiaire 54.
Parmi les avantages de l'invention, on notera que les échangeurs thermiques froid 32 et chaud 39 ont des fonctions spécifiques, l'un étant destiné à refroidir et l'autre à chauffer. De ce fait, leur fonctionnement peut être optimisé.
Par ailleurs, le circuit principal 14 de fluide frigorigène, comportant notamment les deux échangeurs thermiques 24, 34 dans lesquels circule le fluide frigorigène, le compresseur 20 et la vanne de détente 22, est constitué de plusieurs tronçons qui sont avantageusement regroupés en un seul module dans lequel circule le fluide frigorigène. Les tronçons sont reliés entre eux de préférence par soudage de façon à former des raccords solides et étanches susceptibles de résister à des pressions élevées, pouvant dépasser par exemple 100 bars (107 Pa), notamment lorsque le fluide frigorigène est constitué par du dioxyde de carbone.
Le module constitué par le circuit de fluide frigorigène peut être assemblé et chargé de fluide frigorigène préalablement à son montage dans le véhicule. Lors du montage dans le véhicule, le module est relié aux circuits secondaires 26, 36 de liquide caloporteur par l'intermédiaire des échangeurs thermiques 24, 34 fluide frigorigène/liquide caloporteur.
Le module, avantageusement monté dans le compartiment moteur du véhicule, est isolé de l'habitacle ce qui évite les risques de fuite de fluide frigorigène dans cet habitacle et préserve ce dernier de nuisances sonores.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type comprenant :
- une pompe à chaleur (12) comportant un circuit principal (14) de fluide frigorigène à compression prélevant des calories d'une source froide (16) pour les transférer vers une source chaude (18),
- la source froide (16) comportant un premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal (14) de fluide frigorigène à un premier circuit secondaire (26) de liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à au moins deux échangeurs thermiques,
- la source chaude (18) comportant un second échangeur thermique (34) fluide frigorigène/liquide caloporteur couplant thermiquement le circuit principal (14) de fluide frigorigène à un second circuit secondaire (36) de liquide caloporteur pouvant être raccordé sélectivement à au moins deux échangeurs thermiques, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire (26) peut être raccordé sélectivement à un échangeur thermique dit extérieur (30) et un échangeur thermique dit froid (32), et en ce que le second circuit secondaire (36) peut être raccordé sélectivement à l'échangeur extérieur (30) et un échangeur thermique dit chaud (39).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs froid (32) et chaud (39) sont agencés dans un habitacle du véhicule.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur extérieur (30) est un échangeur liquide caloporteur/air.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur froid (32) est un échangeur liquide caloporteur/air.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur chaud (39) est un échangeur liquide caloporteur/air.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire (26) de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies (40) raccordée à la sortie du premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur extérieur (30) et à l'entrée de l'échangeur froid (32).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second circuit secondaire (36) de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies (42) raccordée à la sortie du second échangeur (34) de fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur extérieur (30) et à l'entrée de l'échangeur chaud (39).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier (26) et second (36) circuits secondaires de liquide caloporteur comprennent une vanne trois voies (44) commune raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique (34) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur extérieur (30).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire (26) peut être raccordé sélectivement à un échangeur thermique extérieur supplémentaire (30A).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'échangeur extérieur supplémentaire (30A) est un échangeur liquide caloporteur/vecteur de calories provenant directement ou indirectement d'un gaz, notamment un gaz d'échappement d'un moteur du véhicule, d'un liquide, notamment un liquide de refroidissement du moteur du véhicule, ou d'un solide, notamment au moins un composant électrique ou électronique du véhicule, ce vecteur de calories est choisi de façon que l'échangeur extérieur supplémentaire (30A) forme, vis-à-vis du liquide caloporteur circulant dans le premier circuit secondaire (26), une source froide plus chaude que l'échangeur extérieur (30).
11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire (26) de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies supplémentaire (46) raccordée à la sortie du premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur extérieur (30) et à l'entrée de l'échangeur extérieur supplémentaire (30A).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur chaud (39) est raccordé à une branche (48) d'un circuit de liquide de refroidissement d'un moteur thermique (50) du véhicule, l'extrémité aval de la branche (48) étant raccordée à une entrée de liquide caloporteur de l'échangeur chaud (39) et l'extrémité amont de la branche (48) étant raccordée à une sortie de liquide caloporteur de l'échangeur chaud (39).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique subsidiaire (54) en échange thermique avec un organe du véhicule à réguler thermiquement, raccordé en parallèle aux échangeurs froid (32) et chaud (39).
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier circuit secondaire (26) de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire (56) raccordée à la sortie du premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire (54) et à l'entrée de l'échangeur froid (32).
15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le second circuit secondaire (36) de liquide caloporteur comprend une vanne trois voies subsidiaire (58) raccordée à la sortie du second échangeur (34) de fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude, à l'entrée de l'échangeur subsidiaire (54) et à l'entrée de l'échangeur chaud (39).
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les premier (26) et second (36) circuits secondaires de liquide caloporteur comprennent une vanne trois voies subsidiaire (60) commune raccordée à l'entrée du premier échangeur thermique (24) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source froide, à l'entrée du second échangeur thermique (34) fluide frigorigène/liquide caloporteur de la source chaude et à la sortie de l'échangeur subsidiaire (54).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit principal (14) de fluide frigorigène comportant les deux échangeurs thermiques (24, 34) dans lesquels circule le fluide frigorigène est constitué de plusieurs tronçons regroupés en un seul module, dans lequel circule le fluide frigorigène, destiné à être relié aux circuits secondaires (26, 36) de liquide caloporteur par l'intermédiaire des échangeurs thermiques (24, 34) fluide frigorigène/liquide caloporteur, les tronçons étant raccordés entre eux de préférence par soudage.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur d'au moins un des premier et second circuits secondaires (26, 36) est un mélange d'eau et d'antigel.
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