Les propriétés réfrigérantes du dioxyde de carbone sont connues depuis plus de 150 ans. Le fait qu’il commence seulement à être employé dans les climatiseurs mobiles est dû à la pression exercée par les législateurs pour réduire les gaz à effet de serre et à l’amélioration des capacités techniques. La mesure de la pression joue un rôle central dans ce processus d’amélioration technique.

En raison de leur potentiel de réchauffement global élevé (plus de 150), les gaz à effet de serre fluorés sont interdits dans les climatiseurs de véhicules depuis janvier 2011 par une directive de l’Union Européenne. Le tétrafluoroéthane (R134a) est désormais employé comme frigorigène de substitution. Cependant, le CO2 offre une bien meilleure alternative. Il est 1 430 fois moins nocif pour le climat que le R134a, il offre des performances de refroidissement accrues et dispose de caractéristiques chimiques intéressantes.

Les arguments en faveur de l’emploi du CO2 comme réfrigérant ne peuvent plus être écartés.

• En tant que gaz naturel, il offre à la fois une disponibilité mondiale illimitée et une rentabilité optimale.
• Il est beaucoup moins nocif que les autres liquides de refroidissement, tels que le R134a, le R404A, le R407C, etc.
• Étant un sous-produit des processus industriels, il ne requiert aucun coût de production.
• Contrairement aux autres nouveaux réfrigérants, il a déjà fait l’objet de nombreuses recherches toxicologiques.
• Il n’est ni toxique ni inflammable, et présente donc un risque moins élevé que les autres réfrigérants.
• Il est compatible avec tous les autres réfrigérants.
• Il offre de très grandes performances de refroidissement volumétrique et convient également aux pompes thermiques.

La transition du R134a au R744 (l’abréviation du CO2 dans son usage réfrigérant) ne peut toutefois pas être mise en œuvre tel quel. Des inconvénients s’opposent à ses multiples vertus, qui ne s’appliquent d’ailleurs que dans le cas des climatiseurs mobiles pour véhicules : une pression de fonctionnement très élevée et une température critique de 31 °C. La transition vers le R744 doit donc faire un détour nécessaire via les bancs d’essais des constructeurs et de leurs fournisseurs.

Le fonctionnement d’un climatiseur au CO2

Le fonctionnement d’un climatiseur traditionnel commence bien sûr par l’activation d’un interrupteur à l’intérieur du véhicule, qui déclenche l’alimentation du couplage magnétique du compresseur (bien que les compresseurs les plus récents n’aient pas de couplage magnétique, la pression étant régulée de manière interne par la course du piston). Une liaison entre la poulie et l’arbre du compresseur est alors établie, qui permet au compresseur d’aspirer le réfrigérant gazeux. Ce dernier est maintenant condensé, puis forcé dans la conduite à haute pression. Durant ce processus, la température du réfrigérant augmente. Le condenseur intégré à l’avant du véhicule est en charge de l’abaissement de la température du liquide. À ce stade, le réfrigérant passe de l’état gazeux à l’état liquide. Le réfrigérant désormais fluide est dirigé vers le récepteur/dessicateur, où toute humidité est éliminée. Ensuite, le réfrigérant passe par la vanne d’expansion. Après avoir passé cette restriction, le réfrigérant modifie à nouveau son état physique à l’intérieur de l’évaporateur. L’énergie requise pour ce changement provient de l’air ambiant, ce qui abaisse la température à l’intérieur du véhicule. Le réfrigérant gazeux peut maintenant être ré-aspiré par le compresseur, ce qui permet de recommencer le cycle.

Ce principe de refroidissement est le même pour le R744. La seule différence est que le cadre technique est légèrement modifié. En raison de ses caractéristiques, le dioxyde de carbone impose d’autres exigences en termes de pression et de température.

Par rapport à un système de refroidissement mobile standard, la plus grande différence est la présence d’un échangeur thermique interne supplémentaire. Cet échangeur est essentiel car les climatiseurs utilisant du CO2 fonctionnent avec une dissipation thermique critique supérieure à 31 °C. Le cycle de refroidissement se déroule comme suit : le gaz est condensé à une pression critique à l’intérieur du compresseur. De là, il entre dans un refroidisseur de gaz, qui remplit le rôle de condenseur. Le gaz est refroidi, mais aucune condensation ne se produit. Un refroidissement supplémentaire se produit alors dans l’échangeur thermique suivant. Le CO2 est ensuite poussé à travers la vanne d’expansion, transformant le gaz en vapeur. Cette vapeur est ensuite évaporée dans l’évaporateur, où se produit l’effet de refroidissement.

Hormis l’échangeur thermique interne et le refroidisseur de gaz remplaçant le condenseur, les hautes pressions essentielles à ce système représentent la plus grande différence par rapport aux systèmes de refroidissement mobiles antérieurs. Les exigences relatives à la robustesse des composants utilisés augmentent parallèlement aux niveaux de pression du système. Cette pression élevée influe particulièrement sur la conception du compresseur, qui doit par conséquent être repensé.

Les pressions élevées nécessitent des technologies de mesure haute performance

L’un des impératifs de développement est illustré par la très petite taille moléculaire du CO2, qui se diffuse rapidement au travers des matériaux d’étanchéité courants. Il est donc nécessaire de concevoir un nouveau joint d’axe pour éviter toute perte de dioxyde de carbone. Ce joint doit résister aux caractéristiques chimiques du réfrigérant et aux pressions élevées du compresseur – ce qui peut être déterminé lors d’essais à long terme sur un banc d’essai.

Même le boîtier du compresseur lui-même ne peut pas être simplement issu de systèmes de refroidissement courants. Pour fonctionner efficacement à long terme, il doit être capable de résister à des températures élevées. Les pressions d’aspiration fluctuantes représentent également un défi important, car elles influent de manière décisive sur les pressions de la chambre principale (pouvant y atteindre des valeurs de 200 bars). En raison de ces pressions élevées, les risques de fuites sont plus élevés sur le long terme, mais les capacités de production modernes permettent de résoudre ce problème. Par conséquent, il est impératif d’effectuer une surveillance constante des pressions pendant l’étape de prototypage.

Les pressions élevées générées par les systèmes climatiques utilisant du CO2 présentent d’autres avantages que de simples attributs environnementaux et de meilleures performances de refroidissement. En raison de la densité élevée du CO2, l’espace d’installation requis pour ces climatiseurs est plus réduit que pour les climatiseurs fonctionnant au R134a (de capacité équivalente voire supérieure). Pour les mêmes performances de refroidissement, seulement 13 % du débit volumétrique d’un compresseur R134a est requis.

Cette réduction de taille renforce également les arguments en faveur d’une technologie de mesure de pression de plus en plus compacte. Les capteurs de pression de type piézorésistif se distinguent par leurs capacités de miniaturisation, leur fonctionnement extrêmement précis à basse pression et leurs bons résultats dans les plages de pression supérieures – en particulier lors de tests à long terme. Grâce à une construction modulaire, les capteurs de pression de type piézorésistif de STS offrent en outre l’avantage décisif d’être adaptables rapidement à de nouvelles exigences – un facteur déterminant pour les constructeurs développant de nouveaux modèles.