Brevet FR2654679A1 — publié le 19910524

L'invention concerne un dispositif pour la ventila- tion de l'habitacle d'un véhicule automobile, en parti- culier d'une voiture particulière, comportant un toit ouvrant basculant ou basculant-coulissant, un ou plu- sieurs ventilateurs entraînés électriquement dans la zone du toit ouvrant pour l'amenée d'air extérieur à l'intérieur de l'habitacle, ainsi qu'un module solaire intégré dans le toit ouvrant pour l'alimentation en cou- rant électrique du ou des ventilateurs. Un tel dispositif est connu par exemple par le document DE-OS 36 43 436, et comporte essentiellement - au moins un ventilateur avec un moteur électrique, un module solaire, qui alimente en énergie électrique le moteur d'entraînement du ventilateur, ainsi qu'un élé- ment support pour le module solaire et le ventilateur, qui couvre une ouverture de la paroi du véhicule et en plus de sa fonction d'élément support assure une autre fonction Comme exemples de tels éléments supports on peut citer entre autres le toit coulissant ou le toit ouvrant d 'un véhicule Il est décrit comme mode de réa- lisation préféré, un dispositif dans lequel le ventila- teur aspire de l'air extérieur et le rejette par le che- min le plus court à l'intérieur de l'habitacle (voir revendications 9 à 11, Figures 5 et 6) Des éléments déflecteurs permettent de diriger le flux d'air sur cer- taines pièces, qui sont soumises à un échauffement par- ticulièrement important à l'arrêt, telles que le tableau de bord et le volant Le ventilateur est réalisé sous forme de ventilateur tangentiel ou de ventilateur à cou- rant transversal, dont le carter fait saillie au-dessus du plan du toit et présente une ouverture d'aspiration tournée vers l'arrière du véhicule. Le principe décrit de l'injection d'air frais directe est en fait avantageux, étant donné que l'air frais n'a pas comme dans le principe de l'aspiration de l'air chaud dans la zone du toit à circuler dans les conduits, peu favorables du point de vue de l'écou- lement, du système de chauffage monté de série dans la zone du capot moteur Il est également avantageux, que des pièces particulièrement chaudes soumises aux rayons directs du soleil ou des éléments de commande puissent être refroidis spécifiquement, et que l'air réchauffé puisse sortir de l'habitacle, dans la direction prévue, par les canaux de ventilation existants. Il est également avantageux dans le dispositif décrit, du fait du faible encombrement du ventilateur tangentiel ou du ventilateur à courant transversal, ainsi que du fait de sa position largement au-dessus et dans le plan du toit, que l'espace au niveau de la tête des passagers ne soit pratiquement pas limité. L'inconvénient du dispositif décrit réside dans le fait que le carter du ventilateur fait saillie par rap- port au gabarit extérieur du véhicule, et par suite per- turbe l'aérodynamisme et l'aspect extérieur. Un autre inconvénient important réside cependant dans le mauvais rendement sur le plan de la mécanique des fluides du type de ventilateur retenu (ventilateur tangentiel ou ventilateur à courant transversal) Sur la surface relativement faible d'un toit ouvrant ou d'un toit coulissant, on peut appliquer un module solaire selon l'état actuel de la technique des couches minces particulièrement attractive, qui pour un ensoleillement calculé en incidence normale d'environ 500 W/m 2 (condi- tions européennes) fournit une puissance électrique d'environ 10 W Une extension du module solaire sur d'autres surfaces de la carrosserie n'est généralement pas très sensée pour des raisons d'adaptabilité Des études sur des voitures particulières ont montré, qu'une ventilation et un refroidissement suffisants sous le soleil à l'arrêt exigeaient un débit d'air de l'ordre de m 3/h Avec la faible puissance solaire de 10 W et un ventilateur réalisé sous forme de ventilateur tangentiel ou de ventilateur à courant transversal, un tel débit d'air ne peut être atteint, même avec une conception optimale du moteur. Il est connu que les ventilateurs axiaux travail- lent avec un rendement nettement meilleur que, par exem- ple, les ventilateurs à courant transversal Toutes les solutions à ventilateurs axiaux connues à ce jour pour le présent objectif, telles que selon le document DE-OS 36 33 495 ou le document DE-OS 35 40 546, comportent d'autres inconvénients considérables, qui vont à l'encontre d'une application pratique promise au succès. Elles limitent par exemple considérablement la surface solaire utilisable et l'espace au niveau de la tête des passagers, ou ne sont pas supportables pour des raisons aérodynamiques et esthétiques. Les toits solaires actuellement proposés en rempla- cement des toits transparents limitent encore le confort en ce sens qu'ils sont opaques ou ne laissent passer qu'un spectre de longueurs d'onde donné dans la zone du module solaire Il existe ainsi des modules solaires en silicium amorphe munis d'électrodes non métalliques sur leur face arrière qui ne laissent passer que les tons de rouge. Compte tenu des inconvénients des solutions selon l'état de la technique, le but de l'invention consiste à créer un dispositif pour la ventilation de l'habitacle d'un véhicule automobile, qui permette, en utilisant l'énergie électrique produite par voie photovoltaïque, un refroidissement efficace de l'habitacle chauffé par les rayons du soleil, en utilisant au mieux la surface disponible pour le module solaire, et en optimisant les conditions de mécanique des fluides par un choix judi- cieux du type de ventilateur et de sa disposition, et qui n'ait pas d'incidence négative sur le confort, en particulier l'espace au niveau de la tête des passagers et des conditions d'éclairement à l'intérieur de l'habi- tacle, ni sur l'aérodynamisme et l'aspect extérieur du véhicule. Ce but est atteint selon l'invention par la combi- naison des caractéristiques suivantes: I Le ou les ventilateurs sont réalisés sous forme de ventilateurs axiaux et disposés dans la zone située en-dessous par rapport à la direction de déplace- ment normale de l'arête transversale arrière du toit ouvrant. II Le ou les ventilateurs axiaux sont couplés cinéma- tiquement avec le toit ouvrant et le cadre suppor- tant le toit ouvrant (rail en forme de U, axe Z, axe de pivotement Y) de telle sorte que, lors de l'ouverture du toit ouvrant, ils soient amenés automatiquement dans une position de travail dans l'ouverture entre le toit ouvrant et le cadre, et, lors de la fermeture, ils soient amenés automati- quement dans une position de repos à l'intérieur d'un logement formé par le toit ouvrant et son cadre, chaque axe de ventilateur étant sensiblement parallèle au plan du toit ouvrant en position de travail, et sensiblement perpendiculaire à celui-ci en position de repos. III Le module solaire recouvrant au moins en grande partie la surface du toit ouvrant est réalisé selon la technique des couches minces semiconductrices, et présente localement une transparence pour la pénétration de la lumière du soleil à l'intérieur de l'habitacle La surface du toit ouvrant généralement en verre est pratiquement totalement utilisable pour le logement du module solaire, étant donné que le ou les ventila- teurs sont seulement articulés sur le toit ouvrant, et non intégrés dans celui-ci Le module solaire réalisé selon la technique des couches minces semi-conductrices présente localement une transparence pour la lumière du soleil, de préférence en une pluralité de points unifor- mément répartis (perforations), et crée ainsi des condi- tions d'éclairement semblables à celles d'un toit ouvrant conventionnel protégé localement contre les rayons trop forts Le ou les ventilateurs sont réalisés sous forme de ventilateur axial avec un rendement optimal et sont disposés en-dessous de l'arête trans- versale arrière du toit ouvrant, c'est-à-dire dans la zone de l'ouverture maximale lorsque le toit est ouvert. Ainsi les ventilateurs ne font saillie hors du gabarit de véhicule pour aucune position du toit ouvrant. L'optimisation des conditions d'écoulement et de l'encombrement est obtenue par le fait que, les ventila- teurs peuvent être déplacés, par exemple pivotés, entre une position de travail et une position de repos A cet effet ils sont liés cinématiquement avec le toit ouvrant et son cadre, et lors du pivotement du toit ouvrant sont déplacés automatiquement avec lui La position de travail (axe du ventilateur approximativement parallèle au plan du toit ouvrant) produit un écoulement dirigé avec de faibles pertes, la position de repos (axe du ventilateur sensiblement perpendiculaire au plan du toit ouvrant) permet un faible encombrement à l'intérieur du logement formé par le cadre du toit ouvrant. Selon un mode de réalisation de l'invention le flux d'air produit par le ou les ventilateurs axiaux balaye la couche mince photovoltaïque pour son refroidissement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention la couche mince photovoltaïque est réalisée en silicium amorphe comme matériau semiconducteur, et comporte une pluralité, de surfaces transparentes sur l'ensemble du spectre, dont la proportion représente environ 10-30 % de la surface du module solaire. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la direction du flux d'air produit par le ou les venti- lateurs axiaux peut être est modifiée à l'intérieur d'une zone déterminée par modification de la position angulaire du toit ouvrant. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les ouvertures entre le toit ouvrant et le cadre qui ne sont pas condamnées par le ou les ventilateurs axiaux lorsque le toit est ouvert, sont protégées au moins en grande partie contre les intrusions au moyen d'un rideau. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moteur d'entraînement de chaque ventilateur axial est réalisé sous forme d'un moteur à courant continu à com- mutation électronique sans balai, adapté électriquement sur le module solaire sans élément électronique intermé- diaire. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la couche mince photovoltaïque est branchée comme détec- teur de nuages, et provoque la fermeture automatique du toit ouvrant lors du dépassement vers le bas prolongé d'une puissance photovoltaïque donnée et/ou provoque l'ouverture automatique du toit ouvrant lors du dépas- sement prolongé vers le haut d'une puissance photo- voltaïque donnée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le toit ouvrant muni du ou des ventilateurs axiaux et, le cas échéant, du rideau, est réalisé sous forme de pièce de rechange pour le toit conventionnel en verre existant dans les véhicules et se monte dans son cadre. L'invention est décrite dans ce qui suit à l'aide du dessin annexé Celui-ci montre de manière très sim- plifiée une coupe longitudinale partielle à travers les éléments essentiels d'un dispositif selon l'invention. Le dispositif 1 est disposé dans le toit 12 d'un véhicule automobile, de préférence une voiture particu- lière Le toit 12 du véhicule automobile est muni d'une ouverture, dans laquelle est monté un cadre 11 Dans le cas o le dispositif 1 est le premier toit basculant monté dans le véhicule concerné, le cadre 11 est conçu spécialement pour le dispositif 1 Dans le cas o un toit conventionnel basculant ou basculant-coulissant existait déjà dans le véhicule, son cadre peut être con- servé, les autres organes du dispositif 1 devant être adaptés en conséquence au cadre, pour pouvoir être ins- tallés avec un travail raisonnable en peu de temps. Pour des raisons de simplicité le cadre 11 et le toit 12 du véhicule sont représentés comme des pièces métalliques pleines, étant entendu que les réalisations effectives sont généralement plus compliquées (toit de tôle, ciel en matière plastique, matériaux d'isolation, joints, etc). Les éléments mobiles du dispositif 1 sont au moins le toit ouvrant 2 et le ou les ventilateurs axiaux 5 Le toit ouvrant 2 représenté peut pivoter autour d'un axe transversal situé en avant dans la direction de déplace- ment, non visible sur la figure, entre la position ouverte dessinée en traits continus et la position fermée dessinée en pointillés De plus il est possible de rendre l'axe transversal mentionné, et par suite le toit ouvrant lui-même, déplaçable dans la direction lon- gitudinale du véhicule Le toit ouvrant 2 est composé d'une plaque de verre bombée (représentée plane pour des raisons de simplicité) Sur sa face inférieure est appliquée la couche mince 3 photovoltaïque avec les électrodes, les connexions et le cas échéant avec un verre support de faible épaisseur Celle-ci couvre une partie aussi grande que possible de la surface du toit ouvrant 2 et est composée, en ce qui concerne le maté- riau semi-conducteur, de préférence de silicium amorphe. Dans le cas de l'utilisation d'électrodes métalliques placées sur la face arrière, la couche mince 3 est opa- que Pour ne pas perdre la caractéristique appréciée de transparence des toits ouvrants de véhicule habituels, la couche mince 3 est interrompue en de nombreux points, la proportion en surface des interruptions représentant environ 10-30 % Avec des interruptions de dimensions suffisamment faibles et une répartition régulière sur la surface, le toit ouvrant 2 donne l'impression d'une transparence régulière Il est naturellement également possible de concentrer les interruptions dans certaines zones (par exemple bord, centre) ou de faire varier leurs formes et leurs dimensions afin d'obtenir certains effets optiques. En position ouverte le toit ouvrant 2 libère entre lui-même et l'arête supérieure du cadre 11, une ouver- ture 13 avec deux zones latérales en forme de coin et une zone arrière rectangulaire Cette dernière est uti- lisée dans le cas présent, pour amener de l'air ambiant plus frais à l'intérieur de l'habitacle 15 au moyen d'énergie solaire A cet effet un, de préférence plu- sieurs ventilateurs axiaux 5 sont montés mobiles dans cette zone On peut imaginer par exemple une configura- tion de quatre ventilateurs axiaux identiques disposés symétriquement avec une puissance absorbée de 2,5 W cha- cun ( 4 x 2,5 = 10 W) Chaque ventilateur axial 5 com- porte par exemple un carter de ventilateur 6 annulaire à l'intérieur duquel sont disposés la roue de ventilateur 7 et le moteur d'entraînement 8 électrique La grille 9 du côté de la roue de ventilateur empêche en premier lieu une introduction de la main (risque de blessure). Les exigences imposées en ce qui concerne la roue de ventilateur 7 et le moteur d'entraînement 8 sont, que la première présente en coopération avec le carter de ventilateur 6 un rendement élevé sur le plan de la mécanique des fluides, et le second un rendement électro-mécanique élevé pour exploiter de manière opti- male la faible puissance photovoltaïque Comme moteur d'entraînement 8 on utilisera de préférence un moteur à courant continu à commutation électronique sans balai, qui est adapté au module solaire sans élément électroni- que intermédiaire On peut également utiliser un moteur à courant continu conventionnel à balais de haute qua- lité. Côté cadre (cadre 11) chaque ventilateur axial 5 est monté pivotant autour d'un axe de pivotement Y La commande forcée par le toit ouvrant 2 est réalisée au moyen d'un doigt côté ventilateur esquissé sous la forme de l'axe Z, ou mieux d'un galet, qui peut glisser ou rouler dans le rail en U 4 solidaire du toit ouvrant. Dans le cas d'une réalisation sans jeu au niveau des axes Y et Z, une position définie du carter du ventila- teur 6, et par suite de l'axe du ventilateur X, corres- pond ainsi à chaque position angulaire du toit ouvrant 2 Ainsi il est possible, de faire varier la direction d'écoulement (flèche blanche) du ventilateur axial, dans une zone limitée, par l'intermédiaire de la position du toit ouvrant 2 Dans la position d'ouverture maximale représentée, l'axe du ventilateur X et la direction d'écoulement sont approximativement parallèles au plan du toit ouvrant Le flux d'air balaye la couche mince 3 en la refroidissant et augmente son rendement Plus le toit ouvrant est fermé et plus la direction d'écoulement est inclinée vers le bas dans l'habitacle 15 Il est intéressant de couper (automatiquement) les ventilateurs axiaux 5 avant d'atteindre la position fermée, étant donné que les conditions d'écoulement deviennent alors très défavorables En position fermée les ventilateurs axiaux 5 se trouvent dans le logement 14 à l'intérieur du cadre 11, l'axe du ventilateur X formant un angle aigu important avec le plan du toit ouvrant (par exemple -90 ) Même lorsque le carter du ventilateur 6 dépasse légèrement hors du logement 14 vers le bas, cela n'a pas d'incidence sensible sur l'espace de tête des passagers. En ce qui concerne la position ouverte (maximale) il convient de remarquer encore, que pour une disposi- tion des rails en U 4 formant un angle aigu avec le toit ouvrant 2, et parallèles au plan du cadre (cadre 11), le toit ouvrant 2 peut être déplacé dans la direction lon- gitudinale, sans que la position des carters des venti- lateurs 6 varie réellement. Le couplage cinématique représenté entre le toit ouvrant 2, le carter de ventilateur 6 et le cadre 11 représente naturellement une possibilité parmi de nom- breuses autres possibilités Des leviers articulés, des éléments de traction (par exemple câbles), des cames de commande, des éléments élastiques (par exemple res- sorts), etc, peuvent être appliqués On peut obtenir ainsi des zones de pivotement partiel, à l'intérieur desquelles le mouvement du toit ouvrant 2 est possible sans modification de la position du ventilateur. il Les zones de l'ouverture 13 non condamnées par les ventilateurs axiaux 5 en particulier lorsque le toit ouvrant est complètement ouvert seront judicieusement protégées contre les intrusions Ceci est réalisé au moyen d'un rideau mobile, par exemple sous la forme de grille, de tôle perforée, etc, en métal et/ou en matière plastique, disposé spécialement dans la zone entre et à proximité des carters de ventilateur, et monté également pivotant De même les zones latérales en forme de coin des ouvertures 13 peuvent être protégées à l'aide d'un rideau mobile En plus de la fonction de protection contre les intrusions, le rideau peut également contri- buer à améliorer les conditions d'écoulement, notamment à empêcher les écoulements parasites dans la zone des ventilateurs. Dans le cas de toits ouvrants selon 1 ' invention, qui sont ouverts et fermés au moyen d'un moteur électri- que, il est possible d'utiliser la couche mince photo- voltaïque comme détecteur de nuages Il est possible d'une part, lors du dépassement vers le haut prolongé d'une puissance photovoltaïque donnée, c'est-à-dire pour un ensoleillement plus important, d'ouvrir automatique- ment le toit ouvrant et de mettre en service la fonction ventilateur Inversement un toit ouvrant ouvert peut être fermé automatiquement lors du dépassement vers le bas prolongé d'une puissance photovoltaïque donnée, c'est-à- dire en présence d'une couverture nuageuse La combinai- son des deux modes de fonctionnement est également pos- sible Un élément temporisateur doit veiller à ce que des variations de courte durée des conditions d'enso- leillement (par exemple nuages isolés) ne produisent pas une ouverture et une fermeture répétées, étant donné que l'énergie nécessaire est généralement prélevée sur la batterie du véhicule automobile, et que d'autre part la commande du toit ouvrant est sollicitée et s'use. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la ventilation de l'habitacle d'un véhicule automobile, notamment d'une voiture par- ticulière, comportant un toit ouvrant basculant ou basculant-coulissant de l'habitacle, un ou plusieurs ventilateurs entraînés électriquement dans la zone du toit ouvrant pour l'amenée d'air extérieur à l'intérieur de l'habitacle, ainsi qu'un module solaire intégré dans le toit ouvrant pour l'alimentation en courant électri- que du ou des ventilateurs, caractérisé par la combinai- son des caractéristiques suivantes: I Le ou les ventilateurs sont réalisés sous forme de ventilateurs axiaux ( 5) et disposés dans la zone située en-dessous par rapport à la direction de déplacement normale de l'arête transversale arrière du toit ouvrant ( 2). Il Le ou les ventilateurs axiaux ( 5) sont couplés cinématiquement avec le toit ouvrant ( 2) et le cadre ( 11) supportant le toit ouvrant ( 2) (rail en forme de U 4, axe Z, axe de pivotement Y) de telle sorte que, lors de l'ouverture du toit ouvrant ( 2), ils soient amenés automatiquement dans une position de travail dans l'ouverture ( 13) entre le toit ouvrant ( 2) et le cadre ( 11), et, lors de la ferme- ture, ils soient amenés automatiquement dans une position de repos à l'intérieur d'un logement ( 14) formé par le toit ouvrant ( 2) et son cadre ( 11), chaque axe de ventilateur (X) étant sensiblement parallèle au plan du toit ouvrant en position de travail, et sensiblement perpendiculaire à celui-ci en position de repos. III Le module solaire recouvrant au moins en grande partie la surface du toit ouvrant ( 2) est réalisé selon la technique des couches minces semi-conduc- trices (couche mince 3), et présente localement une transparence pour la pénétration de la lumière du soleil à l'intérieur de l'habitacle ( 15). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux d'air produit par le ou les ventilateurs axiaux ( 5) balaye la couche mince ( 3) photovoltaïque pour son refroidissement. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche mince 3 photovoltaïque est réalisée en silicium amorphe comme matériau semi-conducteur, et comporte une pluralité de surfaces partielles transparentes sur l'ensemble du spectre dont la proportion représente environ 10-30 %' de la surface du module solaire. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la direction du flux d'air produit par le ou les ventilateurs axiaux ( 5) est modifiée à l'intérieur d'une zone déterminée par modification de la position angulaire du toit ouvrant ( 2). 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ouvertures entre le toit ouvrant ( 2) et le cadre ( 11), qui ne sont pas condamnées par le ou les ventilateurs axiaux ( 5) lorsque le toit ouvrant ( 2) est ouvert, sont protégées au moins en grande partie contre les intrusions au moyen d'un rideau (grille, tôle perforée, etc). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moteur d'entraînement ( 8) de chaque ventilateur axial ( 5) est réalisé sous forme d'un moteur à courant continu à commutation électronique sans balai, qui est adapté électriquement au module solaire sans élément électronique intermédiaire. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 muni d'une commande électrique pour l'ouverture et la fermeture du toit ouvrant, caractérisé en ce que la couche mince ( 3) photovoltaïque est branchée comme détecteur de nuages, et provoque la fermeture automatique du toit ouvrant ( 2) lors du dépassement vers le bas prolongé d'une puissance photovoltaïque donnée et/ou provoque l'ouverture automatique du toit ouvrant ( 2) lors du dépassement vers le haut prolongé d'une puissance photovoltaïque donnée. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le toit ouvrant ( 2) avec le ou les ventilateurs axiaux ( 5) et éventuellement avec le rideau est réalisé comme pièce d'échange pour le toit ouvrant d'un toit conventionnel en verre d'un véhicule automobile et peut être monté dans son cadre.