Brevet FR2409479A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne des installation d'échange thermique pour le réglage de la température d'un ensemble de récepteurs thermiques. De façon plus précise, l'invention vise une installation intégrée a réfrigérant liquide, servant a régler les températures de fonctionnement de plusieurs sources thermiques, par exemple dans un moteur à combustion. I1 est de pratique courante d'utiliser des installations d'échange de chaleur à liquide pour régler la température de marche d'un récepteur thermique, par exemple une source de chaleur. C'est ainsi que, dans un moteur à combustion, on utilise couramment une installation de refroidissement par liquide en boucle fermée, comportant un radiateur ou un dispositif échangeur de chaleur analogue, associé au moteur, ainsi qu'une pompe d'entrainement de réfrigérant. Cette pompe envoie le réfrigérant liquide vers le moteur pour l'absorption de l'excès de chaleur et renvoie le liquide à température élevée dans le radiateur pour l'elimina- tion de la chaleur, en pratique dans l'atmosphère, par exemple par conduction et/ou par convexion. Dans de nombreuses installations d'échange thermique, il est nécessaire, ou tout au moins avantageux, d'assurer le réglage de température d'au moins deux récepteurs thermiques de cette installation. C'est ainsi par exemple que, dans un moteur à combustion à turbo-compresseur ou suralimenté, il convient souvent de refroidir non seulement le moteur mais également l'air comprimé d'alimentation. L'un des moyens d'obtenir un tel résultat consiste bien entendu a concevoir le radiateur de manière qu'il ait un pouvoir de refroidissement suffisant pour absorber la chaleur fournie par les deux sources de chaleur. Mais un tel procédé ne permet pas de régler avec précision les diverses sources de chat leur à des températures différentes choisies en vue d'un fonctionnement optimum de l'installation.C'est pourquoi les installations d'échange de chaleur de la technique antérieure comportent plusieurs boucles de circulation de réfrigérant avec des échangeurs de chaleur distincts et des pompes distinctes destinéés à maintenir les sources de chaleur correspondantes chacune à la température voulue. On se reportera, par exemple, à ce sujet, aux brevets des Etats-Unis d'Amérique No. 3.397.684, No.3.439.657 et No. 3.894.392. Mais, la présence de plusieurs pompes et de plusieurs boucles de refroidissement distinctes augmente f cheu- sement à la fois le prix et la complexité de l'installation de refroidissement. On a imaginé, dans la technique antérieure, certaines installations d'échange de chaleur comprenant une unique pompe et un montage relativement complexe de soupapes servant à envoyer du réfrigérant suivant des trajets différents dans plusieurs sources de chaleur. On consultera, par exemple, à ce propos le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3.863.612. Toutefois, les installations de ce type ne permettent pas de régler les températures des diverses sources de chaleur à des valeurs différentes mais pratiquement constantes. Bien au contraire, de telles installations nécessitent que la température d'au moins l'une des sources de chaleur varie en fonction de la température convenant au fonctionnement des autres sources de chaleur, en vue d'assurer un réglage de température global convenable.Cela impose que l'une des sources de chaleur soit considérablement refroidie, de manière à protéger les autres sources de chaleur contre toute surchauffe. L'invention remédie aux inconvénients de la technique antérieure par une installation d'échange de chaleur intégrée ne comportant qu'une seule pompe et présentant plusieurs trajets d'écoulement de réfrigérant servant à maintenir les divers récepteurs thermiques à différentes températures données. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, une installation intégrée d'échange de chaleur se compose d'un échangeur de chaleur primaire, ou radiateur, associé à une source de chaleur primaire, comme par exemple un moteur à combustion. Une pompe envoie un fluide échangeur de chaleur, par exemple un réfrigérant liquide, dans cette source de chaleur primaire pour qu'il y absorbe la chaleur dégagée, puis le ramène dans le radiateur pour chasser la chaleur dans l'atmosphère. Une fraction du flux émis par le radiateur est envoyée dans un second échangeur de chaleur en vue de modifier de façon réglable la température de cette fraction de réfrigérant, par exemple en exposant ce second échangeur de chaleur à l'air libre pour faire descendre la température en-dessous de celle du réfrigérant envoyé dans la source de chaleur primaire.Le fluide sortant du second échangeur de chaleur est envoyé dans un troisième échangeur de chaleur, par exemple un refroidisseur complémentaire ou un refroidisseur intermédiaire, servant à absorber la chaleur émise par une seconde source de chaleur, comme par exemple l'air comprimé d'alimentation d'un moteur, avant de revenir dans le radiateur pour être remis en circulation. En conséquence, la chaleur fournie par la source de chaleur primaire se dissipe dans une première boucle de réfrigération comprenant l'échangeur de chaleur primaire, et la chaleur de la seconde source se dissipe dans une seconde boucle de réfrigération comprenant l'échangeur primaire et le second échangeur de chaleur, de sorte que la température de la seconde source réglée est différente de la température de fonctionnement de la source de chaleur primaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, et à l'examen des dessins annexés, qui concerne trois formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 represente, de façon schématique, l'installation de refroidissement selon l'invention, associée à un moteur à combustion à air la figure 2 est le schéma d'une seconde forme de réalisation ; et la figure 3 est le schéma d'une troisième forme de realisation. L'installation d'échange de chaleur 10, telle que representée sur la figure 1, est associée à une installation comportant plusieurs récepteurs thermiques qui nécessitent un réglage de température. Comme représenté, et suivant un mode d'application de l'invention, cette installation de récepteurs thermiques comprend un moteur à combustion 12 à air, destiné à l'entraine- ment d'un véhicule ou tout autre récepteur, par exemple à l'aide d'un vilebrequin 14. Suivant une variante, cette installation thermique peut comporter plusieurs moteurs choisis dans toute une gamme de moteurs à combustion ou autres installations comportant au moins deux récepteurs thermiques, par exemple plusieurs sources de chaleur. Dans le cas d'une installation thermique à moteur à air surpressé, l'air destiné au moteur traverse un filtre à air 16 en vue d'être comprimé par le compresseur 18 d'un turbo-compresseur 20. Ce compresseur 18 fournit de l'air comprimé d'alimentation par l'intermédiaire d'une conduite d'admission 21 comprenant un refroidisseur complémentaire 22 servant à abaisser la température de l'air d'alimentation, puis l'envoie dans le moteur 12, par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 24. De la sorte, la densité de l'air d'alimentation se trouve augmentée par le refroidisseur complémentaire 22, ce qui fait descendre la température moyenne et la pression maxima alimentant le moteur (en contribuant ainsi à réduire le dégagement de produits d'échappement indésirables), et permet de réaliser une plus grande économie de carburant. Les gaz d'échappement du moteur 12 sdAt chassés par un collecteur d'échappement 26 et sont envoyés, par l'intermédiaire d'une conduite 27, dans la turbine 28 du turbo-compresseur 20. Les gaz très chauds d'échappement font tourner cette turbine 28 qui, elle-même, entraîne le compresseur 18 par l'intermédiaire d'un arbre 30 pour comprimer l'air d'alimentation du moteur. Les gaz d'échappement sortent de cette turbine 28 par un conduit d'échappement 32 qui peut comporter un ou plusieurs dispositifs 33 de réglage d'émission. La combustion dans le moteur provoque le dégagement de quantités de chaleur relativement importantes, de sorte que le moteur 12 constitue une source primaire de chaleur dans l'installation thermique. Pour empecher un chauffage exagéré du moteur, il est prévu un radiateur 33 constituant un échangeur de chaleur primaire et servant à dissiper l'excès de chaleur engendrée par le moteur. De façon précise, on fait circuler un réfrigérant liquide approprié suivant un trajet donné, entre le radiateur 34 et le moteur 12 dans les deux sens, par la conduite 36 pour un sens et la conduite 38 pour l'autre sens. La conduite 36 comprend une pompe 40 qui peut avantageusement être entraînée par le moteur, et ayant pour rible de pomper le réfrigérant pour l'envoyer dans le moteur et le ramener dans le radiateur 34.Un ventilateur 42 qui, lui aussi, peut avantageusement être entralné par le moteur, fait circuler l'air ambiant sur la surface extérieure du radiateur 34 pour qu'il absorbe la chaleur transportée par le réfrigérant par convexion et par conduction. On peut éventuellement prévoir une soupape thermostatique 44 servant à interrompre la circulation dans la conduite de retour 38, de manière à devier de façon réglable une fraction du réfrigérant en circulation autour du radiateur 34, par une conduite de dérivation 46, afin d'assurer un réglage précis de la température de fonctionnement du moteur. Une fraction du réfrigérant pompé par la pompe 40 et envoyé dans la conduite d'alimentation 36 est détournée du moteur 12 par une conduite 48. Cette dernière constitue une seconde boucle d'écoulement de réfrigérant servant à envoyer le réfrigérant de tourné dans un second échangeur de chaleur 50. Selon la forme de réalisation préférée représentée, ce second échangeur de chaleur 50 consiste en un échangeur refroidisseur traversé par l'air ambiant qui lui est envoyé par le ventilateur 42.De la sorte, la température du réfrigérant qui circule dans ce second échangeur de chaleur 50 est abaissée jusqu'à une valeur inferieure à celle du réfrigérant qui alimente le moteur 12. La tempera- ture précise du réfrigérant qui sort de ce second échangeur de chaleur 50 est, bien entendu, liée à la structure et aux caracte- ristiques de l'échangeur de chaleur ainsi qu'aux températures respectives du réfrigérant et de l'air ambiant qui alimentent cet échangeur. La sortie du second échangeur de chaleur 50 est branchée sur le refroidisseur complémentaire 22, au moyen d'une conduite 52. De la sorte, ce refroidisseur complémentaire 22 est alimente par un réfrigérant à une température relativement basse servant à absorber de la chaleur dans une source de chaleur secondaire de l'installation, à savoir l'air comprimé d'alimentation qui traverse lui aussi ce refroidisseur complémentaire.De la sorte, la température de l'air d'alimentation envoyé dans le collecteur d'admission 24 est réglée par la température et par le débit du réfrigérant qui traverse ce refroidisseur complémentaire 22. Re- marque importante, la température de sortie et le débit du re frigérant dans ce refroidisseur complémentaire sont différents de la température et du débit du réfrigérant alimentant le moteur 12, de sorte que l'air d'alimentation qui sort de ce refroidisseur complémentaire peut être maintenu à une température différente de la température de fonctionnement du moteur. Le réfrigé rant sort du refroidisseur complémentaire 22 par une conduite 54 et est renvoyé dans le radiateur 34 pour être remis en circulation par la pompe 40.On peut éventuellement renvoyer dans le radiateur 34 le réfrigérant qui sort du refroidisseur complémentaire 22, en accouplant la conduite 54 à la conduite principale 38 de renvoi. La figure 2 représente une autre forme de réalisation de l'installation d'échange de chaleur selon l'invention. Comme représenté, la pompe 40 envoie du réfrigérant dans le moteur 12 ainsi que dans le second échangeur de chaleur 50 et dans le refroidisseur complémentaire 22, comme expliqué à propos de la figure 1. Pour assurer un réglage précis de la température de l'air d'alimentation sortant du refroidisseur complémentaire 22, il est prévu une conduite de dérivation 56 reliant la conduite d'admission 52 de ce refroidisseur complémentaire à sa conduite de sortie 54.Cette conduite de dérivation 56 est munie d'une soupape 58 de réglage de débit, qui permet d'effectuer tous les réglages possibles entre la position d'ouverture complète et la position de fermeture complète, en fonction d'un détecteur de température 60 disposé dans la sortie d'air du refroidisseur complémentaire. De façon plus précise, cette soupape 58 a pour rible de régler le débit du réfrigérant qui traverse le refroidisseur complémentaire 22 et, par suite, de régler avec précision la température de l'air d'alimentation du moteur à une valeur distincte de la température de fonctionnement de ce moteur. La figure 3 représente une troisième forme de réalisation de l'invention Comme représenté, une soupape 158 de réglage de débit est montée sur la conduite 48 qui envoie du refrigérant dans l'échangeur de chaleur secondaire 50. Cette soupape 158 assure tous les réglages possibles entre la position d'ouverture complète et la position de fermeture complète, en fonction du signal éis par un détecteur de température 160, logé dans le collecteur d'admission 24 du moteur. La soupape 158 est ainsi sensible à la température de l'air d'alimentation du moteur et ei t e regle la quantité de réfrigérant envoyé dans le refroidisseur complénentaire. On peut bien entendu apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention ; c'est ainsi, par exemple, que la pompe 40 peut servir à l'alimentation d'autres boucles d'échange de chaleur, comportant chacune deux échangeurs de chaleur. Dans ces boucles, l'un des échangeurs de chaleur sert à régler (c'est-a-dire à faire monter ou descendre) la température du réfrigérant par rapport à la température de fonctionnement du récepteur thermique primaire, tandis que l'autre échangeur de chaleur sert à régler la température d'un récepteur thermique secondaire en le chauffant ou en le refroidissant suivant le cas, avant de remettre le réfrigérant en circulation vers la boucle primaire. En outre, on peut faire appel à plusieurs dispositifs sensibles à la température pour régler la température dans la boucle primaire ou dans la boucle secondaire de réfrigérant. On peut, par exemple, prévoir une soupape dans la boucle d'air d'alimentation pour régler le débit d'air dans le refroidisseur complémentaire, ou bien des moyens servant à régler la vitesse du ventilateur en fonction.de la température de l'air d'alimentation, pour régler les taux de refroidissement des échangeurs refroidisseurs. De plus, la boucle secondaire peut comporter des dispositifs échangeurs de chaleur faisant partie de toute une vaste gamme d'échangeurs,par exemple des refroidisseurs intermédiaires destinés a être utilisés avec des récepteurs thermiques de types divers. REVENDICATIONS 1. Installation d'échange thermique pour le réglage de la température d'un récepteur thermique primaire ét d'un récepteur thermique secondaire, caractérisée en ce qu'elle comprend une première boucle de réfrigération associée à ce récepteur thermique primaire et comportant un échangeur de chaleur primaire, et une seconde boucle thermique associée audit récepteur thermique secondaire et comportant un second échangeur de chaleur, cette seconde boucle étant montée en série avec cet échangeur de chaleur primaire, et en parallèle avec ledit récepteur thermique primaire. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens servant à faire circuler un réfrigérant dans cette première boucle et dans cette seconde boucle, ces moyens comprenant ledit échangeur de chaleur primaire. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que ces moyens d'entraînement de réfrigérant consistent en une pompe commune à cette première et à cette seconde boucles. 4. Installation selon la revendication 2, caractérisee en ce que le réfrigérant envoyé dans cette seconde boucle traverse ce second échangeur de chaleur avant d'atteindre ledit récepteur thermique secondaire. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit récepteur thermique primaire consiste en une source de chaleur primaire et que ledit récepteur thermique secondaire consiste en une source de chaleur secondaire, ladite seconde boucle de réfrigération comprenant ce second échangeur de chaleur pour abaisser la température d'une fraction du réfrigérant sortant de cet échangeur de chaleur primaire, et par le fait qu'il est prévu un troisième échangeur de chaleur, intercalé entre le second échangeur de chaleur et l'échangeur de chaleur primaire et destiné à recevoir le réfrigérant qui sort dudit échangeur de chaleur secondaire, ce troisième échangeur de chaleur communiquant avec ladite source de chaleur secondaire en vue d'assurer le réglage de la température de cette source secondaire. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite source de chaleur primaire consiste en un moteur à combustion à air surpressé, et en ce que ladite source de chaleur secondaire est représentée par l'air comprimé d'alimentation du moteur. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens commandés par le moteur et servant à envoyer l'air ambiant dans cet échangeur primaire et dans ce second échangeur de chaleur, en vue d'abaisser la température du réfrigérant dans ces échangeurs. 8. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens servant à régler le débit du ré frigérant dans ladite seconde boucle, en fonction de la tempéwa- ture réglée de ladite source de chaleur secondaire. 9. Installation selon la revendication 8, caracterts-e cn ce qu'elle comprend des moyens de réglage du débit de réfEigérant dans ladite première boucle, en fonction de la température de ladite source de chaleur primaire. 10. Installation selon la revendication 1, eEractérisee en ce qu'elle comprend des moyens servant à introduire de l'air ambiant dans cet échangeur primaire et dans ce second échangeur, en vue de régler la température du réfrigérant dans ces échangeurs. 11. Installation d'échange thermique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, pour le réglage de la temtcra- ture d'une source de chaleur primaire et d'une source de chaleur secondaire, caractérisée en ce qu'elle comprend une première bou- cle de réfrigération comportant ladite source de chaleur primaire et un échangeur de chaleur primaire ainsi que des moyens pour faire circuler le réfrigérant dans cet échangeur de chaleur primaire et dans cette source, et une seconde boucle montee en série avec ledit échangeur de chaleur primaire et en parallèle avec ladite source primaire, cette seconde boucle comprenant un second échangeur de chaleur et ladite source de chaleur secondairc, lesdits moyens d'entraînement servant également à faire circulez le réfrigérant, à partir dudit échangeur de chaleur primaire, d'abord dans ledit second échangeur de chaleur, puis dans ladite source de chaleur secondaire, avant son retour dans ledit echangeur de chaleur primaire. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour diriger une fraction du réfrigérant sortant de l'échangeur de chaleur primaire dans la seconde boucle. 13. Moteur à combustion à air surpressé comportant un échangeur de chaleur primaire et des moyens pour faire circuler un réfrigérant entre ce moteur et cet échangeur de chaleur primaire en vue de régler la température de ce moteur, caractérisé en ce qu'il comprend une installation d'échange thermique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12.