FR2853859A1 - AIR CONDITIONING SYSTEM OF MOTOR VEHICLE WITH CO2 COOLING AGENT - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système réfrigérant à compression d'un système à air conditionné de véhicule automobile dans lequel est réalisée, par l'intermédiaire de conduits d'agent réfrigérant (6), une circulation continue d'un agent réfrigérant au CO2 qui part d'un compresseur (1), passe par un refroidisseur de gaz (2), un détendeur (4) et un évaporateur (5) avant de revenir audit compresseur (1). Il existe, entre le compresseur (1) et le refroidisseur de gaz (2), une soupape de commutation (9) permettant de commuter avec ledit compresseur (1) dans un deuxième circuit d'agent réfrigérant destiné à un mode "chauffage" un élément d'étranglement (7) et un échangeur thermique de chauffage (8). En mode "chauffage", le système fonctionne en un mode appelé "gaz chaud". Afin d'être en mesure de régler celui-ci de manière stable, on prévoit un volume d'agent réfrigérant d'au moins 50 cm3 entre le compresseur (1) et l'élément d'étranglement (7).The invention relates to a compression refrigerant system of an air conditioning system of a motor vehicle in which is carried out, via refrigerant conduits (6), a continuous circulation of a CO2 refrigerant which leaves of a compressor (1), passes through a gas cooler (2), a regulator (4) and an evaporator (5) before returning to said compressor (1). There is, between the compressor (1) and the gas cooler (2), a switching valve (9) making it possible to switch with said compressor (1) in a second refrigerant circuit intended for a "heating" mode a throttling element (7) and a heating heat exchanger (8). In "heating" mode, the system operates in a mode called "hot gas". In order to be able to regulate it stably, a volume of coolant of at least 50 cm3 is provided between the compressor (1) and the throttling element (7).
Description
II
L'invention concerne un système réfrigérant à compression d'un système à air conditionné de véhicule automobile, dans lequel, par l'intermédiaire de conduits d'agent réfrigérant, une circulation continue d'un agent réfrigérant au C02 part d'un compresseur, passe par un refroidisseur de gaz, un détendeur et un évaporateur 5 avant de revenir audit compresseur. Un tel système réfrigérant à compression est connu grâce à DE 199 25 744 AI. The invention relates to a compression refrigerant system of an air-conditioned system of a motor vehicle, in which, via refrigerant conduits, a continuous circulation of a CO 2 refrigerant agent from a compressor, passes through a gas cooler, a pressure reducer and an evaporator 5 before returning to said compressor. Such a compression refrigeration system is known from DE 199 25 744 AI.
Des systèmes à air conditionné de véhicule automobile utilisant du dioxyde de carbone comme agent réfrigérant sont de plus en plus considérés comme une alternative plus respectueuse de l'environnement que les systèmes à air conditionné I O classiques utilisant un agent réfrigérant à base d'hydrocarbures fluorés. Le dioxyde de carbone est en outre bon marché, partout disponible, non toxique et présente l'avantage supplémentaire de ne pas être inflammable. Il satisfait donc aussi aux exigences de sécurité élevées auxquelles est soumis le domaine des véhicules automobiles. En raison des pressions élevées, allant jusqu'à 140 bars, existant dans i 5 le circuit de refroidissement du dioxyde de carbone, il n'est cependant pas possible de procéder à un simple échange d'agent réfrigérant en conservant les systèmes existants. Au contraire, la conception de tels systèmes doit être en grande partie revue. Motor vehicle air conditioning systems using carbon dioxide as a refrigerant are increasingly seen as a more environmentally friendly alternative than conventional air conditioning systems using a fluorinated hydrocarbon refrigerant. Carbon dioxide is also inexpensive, available everywhere, non-toxic and has the added benefit of not being flammable. It therefore also meets the high safety requirements to which the motor vehicle sector is subject. Owing to the high pressures, up to 140 bar, existing in the carbon dioxide cooling circuit, it is however not possible to carry out a simple exchange of refrigerant while preserving the existing systems. On the contrary, the design of such systems must be largely revised.
Quant aux systèmes à air conditionné au dioxyde de carbone, il a déjà été 20 proposé de les utiliser également pour le chauffage. Pour ce faire, il est prévu un deuxième circuit d'agent réfrigérant présentant un échangeur thermique pour le mode "chauffage". La commutation entre les deux circuits d'agent réfrigérant s'effectue au moyen d'une soupape de commutation appropriée. En mode "chauffage", le système fonctionne en mode dit à "gaz chaud" (processus en triangle). Des premiers essais 25 ont montré que, dans le cas des systèmes à air conditionné de ce type destinés aux voitures particulières, le processus à gaz chaud présente une dynamique élevée, c'est-à-dire que des variations de pression élevées apparaissent dans les conduits d'agent réfrigérant. Aussi le processus à gaz chaud n'est-il pas réglable de manière stable dans ces systèmes à air conditionné de voiture particulière. As for carbon dioxide air conditioning systems, it has already been proposed to use them also for heating. To do this, there is provided a second refrigerant circuit having a heat exchanger for the "heating" mode. The switching between the two refrigerant circuits is carried out by means of a suitable switching valve. In "heating" mode, the system operates in so-called "hot gas" mode (triangle process). Initial tests 25 have shown that, in the case of air conditioning systems of this type intended for passenger cars, the hot gas process exhibits a high dynamic, that is to say that high pressure variations appear in the refrigerant lines. Therefore, the hot gas process is not stably adjustable in these passenger car air conditioning systems.
Le problème qui est à la base de l'invention est donc de perfectionner le système réfrigérant à compression de telle sorte que le processus à gaz chaud soit réglable de manière stable en mode "chauffage". The problem which is the basis of the invention is therefore to improve the compression refrigeration system so that the hot gas process can be adjusted stably in "heating" mode.
Le problème est résolu grâce à un réfrigérant à compression d'un système à air conditionné de véhicule automobile dans lequel, par l'intermédiaire de conduits 35 d'agent réfrigérant, une circulation continue d'un agent réfrigérant au C02 part d'un compresseur, passe par un refroidisseur de gaz, un détendeur et un évaporateur avant de revenir audit compresseur, une soupape de commutation étant installée entre le compresseur et le refroidisseur de gaz, laquelle permet de commuter avec ledit compresseur dans un deuxième circuit d'agent réfrigérant destiné à un mode "chauffage" un élément d'étranglement et un échangeur thermique de chauffage, et le volume d'agent réfrigérant présent entre le compresseur et l'élément d'étranglement étant d'au moins 50 cm3. The problem is solved by means of a compression refrigerant of an air-conditioned system of a motor vehicle in which, via refrigerant conduits, a continuous circulation of a CO 2 refrigerant starts from a compressor. , passes through a gas cooler, an expansion valve and an evaporator before returning to said compressor, a switching valve being installed between the compressor and the gas cooler, which makes it possible to switch with said compressor in a second refrigerant circuit intended for in a "heating" mode, a throttling element and a heating heat exchanger, and the volume of refrigerant present between the compressor and the throttling element being at least 50 cm3.
Le système réfrigérant à compression selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques avantageuses suivantes: le volume d'agent réfrigérant présent entre le compresseur et l'élément d'étranglement est d'au moins 100 cm3, de préférence compris entre 100 cm3 et 10 200 cm3; - il existe entre le compresseur et l'élément d'étrangement un réservoir d'agent réfrigérant, réalisé notamment sous forme de conduit de branchement d'agent réfrigérant; - le conduit d'agent réfrigérant compris entre le compresseur et la soupape de 1 5 commutation et/ou entre la soupape de commutation et l'élément d'étranglement présente une section supérieure à celle des conduits d'agent réfrigérant compris entre les autres composants; - le conduit d'agent réfrigérant compris entre la soupape de commutation et l'élément d'étranglement est plus long que le conduit d'agent réfrigérant compris entre 20 la soupape de commutation et le refroidisseur de gaz. The compression refrigeration system according to the invention may also include one or more of the following advantageous characteristics: the volume of refrigerant present between the compressor and the throttling element is at least 100 cm 3, preferably between 100 cm3 and 10,200 cm3; - There is between the compressor and the choke element a coolant reservoir, produced in particular in the form of a coolant connection duct; - the refrigerant line between the compressor and the switching valve and / or between the switching valve and the throttle has a cross section greater than that of the refrigerant lines between the other components ; - the refrigerant line between the switching valve and the throttle is longer than the refrigerant line between the switching valve and the gas cooler.
Le système réfrigérant à compression présente de manière habituelle un premier circuit d'agent réfrigérant permettant une circulation continue d'un agent réfrigérant au C02 qui part d'un compresseur, passe par un refroidisseur de gaz, un détendeur et un évaporateur avant de revenir audit compresseur. Dans un deuxième 25 circuit d'agent réfrigérant destiné au mode "chauffage", la circulation de l'agent réfrigérant au C02 s'effectue à partir du compresseur en passant par un élément d'étranglement et un échangeur thermique de chauffage. La commutation entre le premier et le deuxième circuit d'agent réfrigérant est effectuée à l'aide d'une soupape de commutation située entre le compresseur et le refroidisseur de gaz. En raison de 30 l'espace limité réservé à un système à air conditionné d'un véhicule automobile, celuici doit être de construction très compacte. Les conduits d'agent réfrigérant sont donc très courts et présentent un faible volume. On s'est à présent rendu compte que les difficultés de réglage, en mode "chauffage", du processus à gaz chaud étaient dues au faible volume d'agent réfrigérant présent en amont de l'élément d'étranglement. 35 L'invention propose donc d'augmenter le volume d'agent réfrigérant entre le compresseur et l'élément d'étranglement à au moins 50 cm3, de préférence au moins 100 cm3. Ce volume d'agent réfrigérant présent en amont de l'élément d'étranglement permet de générer une réserve de pression suffisante afin de pouvoir empêcher en grande partie l'apparition de variations de pression. Il est ainsi possible désormais de régler le processus à gaz chaud de manière stable. Une augmentation du volume d'agent réfrigérant en amont de l'élément d'étranglement à plus de 200 cm3 n'apporte 5 généralement plus aucun avantage supplémentaire. Le volume optimal doit cependant être déterminé au cas par cas. The compression refrigeration system usually has a first refrigerant circuit allowing a continuous circulation of a CO 2 refrigerant which starts from a compressor, passes through a gas cooler, an expansion valve and an evaporator before returning to said audit. compressor. In a second refrigerant circuit intended for the "heating" mode, the circulation of the refrigerant to CO 2 takes place from the compressor through a throttling element and a heating heat exchanger. Switching between the first and second refrigerant circuits is accomplished using a switching valve located between the compressor and the gas cooler. Due to the limited space reserved for an air conditioning system of a motor vehicle, this must be of very compact construction. The refrigerant conduits are therefore very short and have a small volume. It has now been realized that the difficulties in adjusting, in "heating" mode, the hot gas process were due to the small volume of refrigerant present upstream of the throttling element. The invention therefore proposes to increase the volume of refrigerant between the compressor and the throttling element to at least 50 cm3, preferably at least 100 cm3. This volume of refrigerant present upstream of the throttling element makes it possible to generate a reserve of sufficient pressure so as to be able to largely prevent the appearance of pressure variations. It is now possible to regulate the hot gas process stably. An increase in the volume of coolant upstream of the throttle element to more than 200 cc generally does not provide any additional benefit. The optimal volume should however be determined on a case-by-case basis.
Il existe différentes manières d'augmenter le volume d'agent réfrigérant présent en amont de l'élément d'étranglement. D'une part, il est possible de disposer un réservoir d'agent réfrigérant, notamment sous forme de conduit de branchement, 10 entre le compresseur et l'élément d'étranglement. D'autre part, il est également possible d'obtenir le volume d'agent réfrigérant nécessaire en augmentant la section des conduits d'agent réfrigérant utilisés. Ainsi le conduit d'agent réfrigérant peut présenter, entre le compresseur et la soupape de commutation et/ou entre la soupape de commutation et l'élément d'étranglement, une section supérieure à celle des 15 conduits d'agent réfrigérant situés entre les autres composants. Une autre possibilité d'obtenir le volume nécessaire consiste à adapter la longueur du conduit d'agent réfrigérant sans en modifier la section. Ainsi, le conduit d'agent réfrigérant situé entre la soupape de commutation et l'élément d'étranglement peut notamment être réalisé de manière à être plus long que le conduit d'agent réfrigérant situé entre la soupape 20 de commutation et le refroidisseur de gaz. There are different ways to increase the volume of coolant present upstream of the throttle. On the one hand, it is possible to have a reservoir of refrigerant, in particular in the form of a connection conduit, between the compressor and the throttling element. On the other hand, it is also possible to obtain the volume of refrigerant required by increasing the cross section of the refrigerant conduits used. Thus, the refrigerant conduit can have, between the compressor and the switching valve and / or between the switching valve and the throttling element, a cross section greater than that of the refrigerant conduits located between the others. components. Another possibility of obtaining the necessary volume consists in adapting the length of the coolant conduit without modifying the section thereof. Thus, the refrigerant conduit located between the switching valve and the throttling element can in particular be made so as to be longer than the refrigerant conduit located between the switching valve and the gas cooler .
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation et de l'unique figure. The invention will be described below in more detail using an embodiment and the single figure.
La figure 1 montre à cet effet un système réfrigérant à compression comprenant deux circuits d'agent réfrigérant. Figure 1 shows for this purpose a compression refrigeration system comprising two refrigerant circuits.
Le système réfrigérant à compression représenté dans la figure 1 présente un compresseur 1. Le compresseur 1 peut être actionné aussi bien par un moteur électrique que par le moteur du véhicule automobile. L'agent réfrigérant utilisé est le dioxyde de carbone. Le système réfrigérant présente en outre un refroidisseur de gaz 2, un échangeur thermique (échangeur thermique interne) 3 qui, lui, n'est pas 30 indispensable au fonctionnement de base du système réfrigérant, un détendeur 4 et un évaporateur 5. Le compresseur 1, le refroidisseur de gaz 2, le détendeur 4 et l'évaporateur 5 sont reliés, conformément à la manière représentée, par des conduits d'agent réfrigérant 6, de sorte à obtenir une circulation continue de l'agent réfrigérant au C02 qui part du compresseur 1, passe par le refroidisseur de gaz 2, le détendeur 4 35 et l'évaporateur 5 avant de revenir audit compresseur 1. Le système réfrigérant selon la figure 1 présente en outre un accumulateur 11 dans le circuit d'agent réfrigérant. The compression refrigeration system shown in FIG. 1 has a compressor 1. The compressor 1 can be actuated both by an electric motor and by the motor of the motor vehicle. The refrigerant used is carbon dioxide. The refrigerant system also has a gas cooler 2, a heat exchanger (internal heat exchanger) 3 which is not essential for the basic operation of the refrigerant system, a pressure reducer 4 and an evaporator 5. The compressor 1 , the gas cooler 2, the pressure reducer 4 and the evaporator 5 are connected, in the manner shown, by refrigerant conduits 6, so as to obtain a continuous circulation of the refrigerant to C02 which leaves from compressor 1, passes through the gas cooler 2, the regulator 4 and the evaporator 5 before returning to said compressor 1. The refrigerant system according to FIG. 1 also has an accumulator 11 in the refrigerant circuit.
Dans le compresseur 1, l'agent réfrigérant est comprimé, puis amené au refroidisseur de gaz 2. Dans le refroidisseur de gaz 2, de la chaleur est transmise à un fluide extérieur. Dans le détendeur 4 s'opère une détente de l'agent réfrigérant et ainsi une diminution de la pression. L'agent réfrigérant existe alors sous forme de 5 vapeur humide. La partie comprise entre le compresseur 1 et le détendeur 4 en passant par le refroidisseur de gaz 2 forme le côté haute pression du système réfrigérant. L'agent réfrigérant détendu par le détendeur 4, pénètre dans l'évaporateur 5 o il absorbe de la chaleur provenant d'un fluide extérieur, ce fluide étant en l'occurrence de l'air qui doit être amené dans l'habitacle du véhicule automobile. 10 L'agent réfrigérant gazeux est finalement aspiré par le compresseur 1 et l'ensemble du processus reprend depuis le début. La partie comprise entre le détendeur 4 et l'entrée du compresseur 1 en passant par l'évaporateur 5 forme le côté basse pression du système réfrigérant. Celle-ci constitue en même temps la partie comprenant un niveau de température faible par rapport au niveau de température du 15 coté haute pression. Grâce l'échangeur thermique supplémentaire 3 qui permet un échange thermique entre le côté haute pression et le conduit d'aspiration menant au compresseur 1, il est possible d'améliorer la puissance réfrigérante de l'ensemble du système. In the compressor 1, the refrigerant is compressed, then brought to the gas cooler 2. In the gas cooler 2, heat is transmitted to an external fluid. In the pressure reducer 4, the refrigerant relaxes and thus reduces the pressure. The refrigerant then exists as a wet vapor. The part between the compressor 1 and the regulator 4 passing through the gas cooler 2 forms the high pressure side of the refrigerant system. The refrigerant expanded by the expansion valve 4 enters the evaporator 5 where it absorbs heat from an external fluid, this fluid being in this case air which must be brought into the passenger compartment of the vehicle. automobile. The gaseous refrigerant is finally sucked up by the compressor 1 and the whole process resumes from the start. The part between the expansion valve 4 and the inlet of the compressor 1 passing through the evaporator 5 forms the low pressure side of the refrigerant system. This at the same time constitutes the part comprising a low temperature level compared to the temperature level on the high pressure side. Thanks to the additional heat exchanger 3 which allows a heat exchange between the high pressure side and the suction duct leading to the compressor 1, it is possible to improve the cooling power of the entire system.
Le système réfrigérant à compression présente, pour le mode "chauffage", un 20 deuxième circuit d'agent réfrigérant. Celui-ci part du compresseur 1, passe par un détendeur appelé ici élément d'étranglement 7 et un échangeur thermique de chauffage 8 avant de revenir audit compresseur 1. La commutation entre le premier et le deuxième circuit d'agent réfrigérant est effectuée au moyen d'une soupape de commutation 9 installée entre le compresseur 1 et le refroidisseur de gaz 2 ou 25 l'élément d'étranglement 7. The compression refrigeration system has, for the "heating" mode, a second refrigerant circuit. This starts from the compressor 1, passes through a pressure reducer called here throttle element 7 and a heating heat exchanger 8 before returning to said compressor 1. The switching between the first and the second refrigerant circuit is carried out by means a switching valve 9 installed between the compressor 1 and the gas cooler 2 or the throttle element 7.
Le réglage électrique d'un tel système réfrigérant est effectué, de manière connue en soi, au moyen d'un régulateur non représenté. The electrical adjustment of such a refrigerating system is carried out, in a manner known per se, by means of a regulator not shown.
En raison de la construction compacte d'un système réfrigérant à compression destiné à une voiture particulière, les conduits d'agent réfrigérant 6 sont très courts. 30 Un mode "chauffage" stable passant par le deuxième circuit d'agent réfrigérant ne peut être obtenu avec des conduits d'agent réfrigérant aussi courts. L'invention prévoit donc une augmentation du volume d'agent réfrigérant entre le compresseur 1 et l'élément d'étranglement 7. Pour ce faire, il existe plusieurs possibilités indiquées à la figure 1. D'une part, il est possible de prévoir un réservoir d'agent réfrigérant, en 35 particulier sous la forme d'un conduit de branchement d'agent réfrigérant, entre le compresseur 1 et l'élément d'étranglement 7. Dans la figure 1 sont représentés, à cet effet, un réservoir d'agent réfrigérant 10a situé entre le compresseur 1 et la soupape de commutation 9 et un réservoir d'agent réfrigérant 1Ob situé entre la soupape de commutation 9 et l'élément d'étranglement 7. Il va de soi qu'un seul réservoir d'agent réfrigérant 10 suffit dans la mesure o celui-ci permet d'obtenir le volume minimum nécessaire d'agent réfrigérant. De manière alternative ou en complément au réservoir 5 d'agent réfrigérant 10, il est possible d'augmenter le volume d'agent réfrigérant en augmentant la section du conduit d'agent réfrigérant 6a situé entre le compresseur 1 et la soupape de commutation 9 et/ou celle du conduit d'agent réfrigérant 6b situé entre la soupape de commutation 9 et l'élément d'étranglement 7. Ceci est indiqué de manière schématique dans la figure 1. En règle générale, la section du conduit 10 d'agent réfrigérant 6a sera, pour ce faire, constante sur l'ensemble de la longueur comprise entre le compresseur 1 et la soupape de commutation 9, de même que sur la section de l'ensemble du conduit d'agent réfrigérant 6b comprise entre la soupape de commutation 9 et l'élément d'étranglement 7. Une augmentation du volume d'agent réfrigérant en amont de l'élément d'étranglement 7 peut également être 15 obtenue par une disposition appropriée de l'élément d'étrangement 7 et du refroidisseur de gaz 2. Pour ce faire, il est par exemple possible de disposer l'élément d'étranglement 7 de manière à ce que l'élément d'étranglement 7 soit plus éloigné de la soupape de commutation 9 que du refroidisseur de gaz 2. Ceci entraîne, de par le simple allongement du conduit d'agent réfrigérant 6b compris entre la soupape de 20 commutation 9 et l'élément d'étranglement 7 par rapport au conduit d'agent réfrigérant 6c compris entre la soupape de commutation 9 et le refroidisseur de gaz 2, une augmentation correspondante du volume d'agent réfrigérant présent en amont de l'élément d'étranglement 7. De même, en combinant habilement les possibilités de construction précédemment citées pour augmenter le volume d'agent réfrigérant entre 25 le compresseur 1 et l'élément d'étranglement 7, il est possible, en dépit des dimensions compactes d'un système à air conditionné de voiture particulière d'obtenir le volume d'agent réfrigérant minimum nécessaire à un processus à gaz chaud stable en mode "chauffage". Due to the compact construction of a compression refrigeration system for a private car, the refrigerant lines 6 are very short. A stable "heating" mode passing through the second refrigerant circuit cannot be achieved with such short refrigerant conduits. The invention therefore provides for an increase in the volume of refrigerant between the compressor 1 and the throttling element 7. To do this, there are several possibilities indicated in FIG. 1. On the one hand, it is possible to provide a coolant reservoir, in particular in the form of a coolant connection conduit, between the compressor 1 and the throttle element 7. In FIG. 1 are shown, for this purpose, a reservoir of refrigerant 10a located between the compressor 1 and the switching valve 9 and a tank of refrigerant 1Ob located between the switching valve 9 and the throttling element 7. It goes without saying that a single tank d refrigerant 10 is sufficient insofar as this makes it possible to obtain the minimum necessary volume of refrigerant. Alternatively or in addition to the coolant reservoir 5, it is possible to increase the volume of coolant by increasing the section of the coolant duct 6a located between the compressor 1 and the switching valve 9 and / or that of the coolant conduit 6b located between the switching valve 9 and the throttle element 7. This is shown schematically in FIG. 1. As a general rule, the cross section of the coolant conduit 10 6a will, for this purpose, be constant over the entire length between the compressor 1 and the switching valve 9, as well as over the section of the assembly of the coolant conduit 6b between the switching valve 9 and the throttle element 7. An increase in the volume of coolant upstream of the throttle element 7 can also be obtained by an appropriate arrangement of the throttle element 7 and the refr gas cooler 2. To do this, it is for example possible to arrange the throttle element 7 so that the throttle element 7 is farther from the switching valve 9 than from the gas cooler 2 This results, by the simple elongation of the coolant conduit 6b between the switching valve 9 and the throttle element 7 relative to the coolant conduit 6c between the switching valve 9 and the gas cooler 2, a corresponding increase in the volume of coolant present upstream of the throttle element 7. Likewise, by skillfully combining the above-mentioned construction possibilities to increase the volume of coolant between the compressor 1 and the throttling element 7, it is possible, despite the compact dimensions of a passenger car air conditioning system, to obtain the minimum refrigerant volume required area with a stable hot gas process in "heating" mode.
Dans le véhicule automobile, de l'air est transporté de manière connue par 30 l'échangeur thermique 5 ou par l'échangeur thermique de chauffage 8 et amené, une fois refroidi ou réchauffé, dans l'habitacle du véhicule automobile. In the motor vehicle, air is transported in a known manner by the heat exchanger 5 or by the heating heat exchanger 8 and brought, once cooled or warmed, into the passenger compartment of the motor vehicle.
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