Brevet FR2674289A1 — publié le 19920925

Dispositif de refroidissement en mode di Dhasicrue pour moteur à combustion interne L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne, dans lequel on utilise un fluide de refroidissement qui est porté à ébullition dans le moteur, quitte ce dernier à l'état de phase vapeur et de phase liquide, et est ensuite condensé avant de retourner, à l'état de phase liquide, vers le moteur. Un dispositif de refroidissement de ce type fonctionne selon un mode qualifié de "diphasique", étant donné que le fluide de refroidissement, généralement un mélange d'eau et d'antigel, est présent sous deux phases distinctes, l'une à l'état de liquide, et l'autre à l'état de vapeur. Un tel mode de refroidissement diphasique est à distinguer du mode de refroidissement classique des moteurs à combustion interne, dans lequel le fluide de refroidissement est présent sous une seule phase, à savoir une phase liquide. Dans les dispositifs de refroidissement classiques, le fluide de refroidissement à l'état liquide quitte le moteur, est refroidi ensuite dans un radiateur muni d'un ventilateur, et retourne ensuite vers le moteur, la circulation du fluide se faisant par convexion forcée sous l'action d'une pompe. Dans les dispositifs de refroidissement fonctionnant en mode diphasique, le fluide à l'état de vapeur est condensé dans un condenseur qui est situé à la même place que le radiateur de refroidissement fonctionnant en mode classique. On connaît déjà des dispositifs de refroidissement pour moteurs à combustion interne, qui fonctionnent en mode diphasique. De tels dispositifs comprennent une entrée pour le fluide de refroidissement en phase vapeur et en phase liquide, une sortie pour le fluide de refroidissement en phase liquide, un condenseur interposé entre cette entrée et cette sortie, un séparateur de phases interposé entre l'entrée et le condenseur, un réservoir de liquide interposé entre le condenseur et la sortie, ainsi qu'une branche de circulation du liquide reliant le séparateur de phase et le réservoir de liquide. Toutefois, les dispositifs de refroidissement fonctionnant en mode diphasique sont restés jusqu'à présent au stade expérimental et n'ont pas encore été véritablement développés dans la pratique. En effet, leur construction à l'échelle industrielle se heurte à de nombreuses difficultés dans la pratique. En particulier, l'un des inconvénients de ces dispositifs de refroidissement réside dans le fait qu'ils nécessitent un grand nombre de composants, notamment un séparateur de phases, un condenseur, un réservoir de liquide faisant office de tampon, une pompe de circulation et, le cas échéant, un vase d'expansion. Jusqu'à présent, la liaison de tous ces composants nécessite des conduits de différents diamètres adaptés, selon le cas, à la circulation du fluide à l'état de vapeur ou du fluide à l'état liquide, des raccords et des colliers de serrage. Il en résulte notamment des risques de fuites du fluide de refroidissement, aussi bien à l'état de vapeur, qu'à l'état de liquide. De plus, la réalisation d'un tel dispositif de refroidissement exige un montage complexe, donc d'un prix élevé, difficilement compatible avec les constructions industrielles à grande échelle. L'invention a notamment pour but d'éviter les inconvénients précités. L'invention propose à cet effet un dispositif de refroidissement du type mentionné plus haut, dans lequel le condenseur comprend un faisceau d'échange de chaleur portant au moins une boite à fluide et dans lequel le séparateur de phases et le réservoir de liquide sont portés par au moins une boîte à fluide. on obtient ainsi un dispositif de refroidissement de structure compacte, dans lequel le séparateur de phases et le réservoir de liquide font partie intégrante du condenseur, en étant portés par au moins une boîte à fluide de ce dernier. On peut ainsi grouper en un même ensemble le condenseur formé par son faisceau et ses boîtes à fluide, le séparateur de phases, le réservoir de liquide, et le cas échéant d'autres composants faisant partie du dispositif de refroidissement. Un tel dispositif offre non seulement une meilleure compacité que les dispositifs de refroidissement connus, mais aussi il permet une communication directe des différents composants, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des conduits de liaison, des raccords et des colliers de serrage. Il en résulte qu'un tel dispositif minimise les risques de fuites et qu'il peut être monté facilement et à faible prix. Dans une première forme de réalisation de l'invention, le faisceau du condenseur est à circulation générale horizontale, en étant monté entre deux boites à fluide, et l'une des deux boites à fluide porte à la fois le séparateur de phases et le réservoir de liquide, tandis que l'autre boîte à fluide assure une communication de fluide entre deux parties du faisceau. Cette forme de réalisation est particulièrement avantageuse, étant donné que le séparateur de phases et le réservoir de liquide sont regroupés sur une seule boite à fluide du conden- seur. Avantageusement, cette boite à fluide est à disposition générale verticale et elle comporte une partie supérieure comportant le séparateur de phases et l'entrée de fluide, ainsi qu'une partie Avantageusement, cette boite à fluide est à disposition générale verticale et elle comporte une partie supérieure comportant le séparateur de phases et l'entrée de fluide, ainsi qu'une partie inférieure comportant le réservoir de liquide et la sortie de fluide, la branche de circulation de liquide étant formée par un passage de communication de liquide reliant directement la partie supérieure et la partie inférieure. Avantageusement, la partie supérieure de la boîte à fluide comporte un premier compartiment propre à retenir le liquide séparé et débouchant à sa base sur le passage de communication de liquide et un second compartiment communiquant avec le premier compartiment ainsi qu'avec une partie du faisceau du condenseur pour y introduire la vapeur séparée, tandis que la partie inférieure de la boîte à fluide comporte un compartiment formant réservoir de liquide et alimenté par une autre partie du faisceau du condenseur. On comprendra par conséquent que la circulation du fluide de refroidissement à l'intérieur du faisceau du condenseur s'effec- tue suivant un trajet en U. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la partie inférieure de la boîte à fluide comporte une pompe de circulation propre à faire circuler le liquide provenant du réservoir vers la sortie. Dans une seconde forme de réalisation de l'invention, le faisceau du condenseur est à circulation générale verticale, en étant monté entre deux boites à fluide, et l'une des boites à fluide est disposée en partie supérieure du faisceau et comporte le séparateur et l'entrée de fluide, tandis que l'autre boîte à fluide est disposée en partie inférieure du faisceau et comporte le réservoir de liquide et la sortie de fluide, la branche de circulation de liquide étant formée par un tuyau reliant le séparateur de phases et le réservoir de liquide. Dans cette seconde forme de réalisation de l'invention, le séparateur de phases est solidaire de l'une des boîtes à fluide, tandis que le réservoir de liquide est solidaire de l'autre boite à fluide. Avantageusement, le séparateur de phases comprend un compartiment de recueil de liquide qui prolonge la boîte à fluide supérieure et qui est muni d'un embout pour le raccordement d'une extrémité du tuyau de circulation de fluide, tandis que le réservoir de liquide prolonge la boîte à fluide inférieure et est muni d'un embout pour le raccordement d'une autre extrémité du tuyau de circulation de liquide. De préférence, la boite à fluide inférieure comporte une pompe de circulation propre à faire circuler le liquide provenant du réservoir en direction de la sortie. Dans l'une ou l'autre des formes de réalisation précitées, le dispositif comprend en outre avantageusement un vase d'expansion étanche relié à la boite à fluide comportant le séparateur de phases. Selon une autre caractéristique de l'invention, le condenseur comporte un ventilateur et le dispositif comporte des capteurs de température ou de pression assurant la commande du ventilateur dans des conditions données. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 montre le schéma de principe du fonctionnement d'un dispositif de refroidissement fonctionnant en mode diphasique pour moteur à combustion interne selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue en élévation d'un dispositif de refroidissement selon la première forme de réalisation précitée; la figure 3 est une vue de côté du dispositif de refroi- dissement de la figure 2; la figure 4 est une vue en élévation d'un dispositif de refroidissement selon la seconde forme de réalisation précitée; et la figure 5 est une vue de côté du dispositif de refroi- dissement représenté à la figure 4. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un moteur à combustion interne dont le refroidissement est assuré par un fluide, par exemple un mélange eau/antigel, qui pénètre par une entrée 12 du moteur pour constituer une masse 14 de fluide en phase liquide Ce fluide est porté à ébullition, généralement à une température comprise entre 100 et 1200 C, au contact du moteur pour former une masse de fluide 16 en phase vapeur Le fluide de refroidissement en phase vapeur et en phase liquide quitte le moteur 10 par une sortie 18 pour être acheminé vers un dispositif de refroidissement fonctionnant en mode diphasique et désigné dans son ensemble par 20. Le fluide de refroidissement quitte le moteur par une conduite 22 pour parvenir à l'entrée 24 d'un séparateur de phases 26, encore appelé séparateur liquide-vapeur, qui assure la séparation des deux phases La phase vapeur quitte le séparateur 26 par une sortie 28 et est acheminée par une conduite 30 vers un condenseur 32 auquel est associé un ventilateur 34 entraîné par un moteur électrique 36. Sur la conduite 30 reliant le séparateur 26 et le condenseur 32 est raccordé un vase d'expansion 74 destiné à absorber les variations de dilatation du fluide de refroidissement. Dans le condenseur 32, le fluide de refroidissement en phase vapeur est condensé pour former une phase liquide qui est dirigée ensuite, par l'intermédiaire d'une conduite 38, vers un réservoir de liquide 40, encore appelé réservoir tampon. La phase liquide séparée par le séparateur 26 quitte ce dernier par une sortie 42 pour être acheminée vers le réservoir 40 par l'intermédiaire d'une canalisation 44 Le fluide en phase liquide quitte ensuite le réservoir 40 sous l'action d'une pompe de circulation 46 dont la sortie 48 alimente une conduite 50 qui se divise ensuite en deux branches 52 et 54 La branche 52 retourne directement le fluide à l'état liquide en direction de l'entrée 12 du moteur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur additionnel, tel qu'un échangeur d'huile 56, et d'une conduite 58 aboutissant à une conduite 60 La branche 54 se divise ensuite en deux branches 62 et 64 La branche 62 alimente un échangeur de chaleur 66 servant de radiateur de chauffage de l'habitacle du véhicule automobile, et auquel est associé un groupe moto- ventilateur 68 A la sortie de l'échangeur de chaleur 66, le fluide de refroidissement retourne vers le moteur par l'intermé- diaire de la conduite 60. La branche 64 assure aussi le retour d'une partie du fluide de refroidissement vers l'entrée 12 du moteur par l'intermédiaire d'un autre échangeur de chaleur additionnel, tel qu'un échangeur de réchauffage de l'admission 70 et d'une conduite 72 débouchant dans la conduite 60. Conformément au schéma de principe de la figure 1, le fluide de refroidissement pénètre en phase liquide dans le moteur o il est porté à ébullition en formant ainsi une phase vapeur Le fluide, à l'état de mélange de phase liquide et de phase vapeur, quitte ensuite le moteur pour être refroidi et condensé dans le condenseur 32 qui est situé à la place du radiateur de refroidis- sement d'un dispositif de refroidissement classique. On comprendra que la réalisation du dispositif de refroidissement représentée à la figure 1 nécessite l'utilisation de conduites de types différents ainsi qu'un grand nombre de raccords et de colliers de serrage qui conduisent aux inconvénients mentionnés plus haut. L'invention permet d'éviter de tels inconvénients en proposant la réalisation du dispositif de refroidissement suivant une structure particulièrement compacte. Dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, auxquelles on se réfère maintenant, le dispositif comprend un condenseur 80 permettant une circulation générale horizontale du fluide de refroidissement Le condenseur 80 comporte un faisceau 82 formé d'un ensemble de tubes (non représentés) disposés horizontale- ment, dont une extrémité est reliée à une première boite à fluide 84, et dont l'autre extrémité est reliée à une seconde boite à fluide 86 La boîte à fluide 84 est à disposition générale verticale et comporte une partie supérieure 88 munie d'une entrée pour l'introduction du fluide de refroidissement, en phase liquide et en phase vapeur, en provenance du moteur comme montré par la flèche Fi La partie supérieure 88 de la boite à fluide 84 joue le rôle de séparateur de phases et comprend, à cet effet, un premier compartiment 92 dans lequel débouche l'embout 90 et un second compartiment 94 adjacent au compartiment 92 et communiquant avec celui-ci par l'intermédiaire d'un orifice de passage 96 situé sensiblement à mi-hauteur des deux comparti- ments Le compartiment 92 forme, à sa base, un réceptacle 98 propre à retenir le fluide 100 en phase liquide qui est ensuite acheminé vers la partie inférieure 102 de la boite à fluide 84 au travers d'un passage 104 de communication de liquide qui est aménagé à la base du réceptacle 100. Le second compartiment 94 est limité, en partie inférieure, par une cloison 106 Le compartiment 94 recueille le fluide à l'état de vapeur et permet d'acheminer cette vapeur dans une partie du faisceau 82, comme montré par les flèches F 2 En traversant le faisceau, le fluide à l'état de vapeur est condensé à l'état de liquide sous l'action de l'air de refroidissement qui traverse l'échangeur et qui est éventuellement accéléré grâce à un groupe moto-ventilateur 108 Le fluide gagne la boîte à fluide 86 et quitte cette dernière en traversant l'autre partie du faisceau 82, comme montré par les flèches F 3 pour gagner la partie inférieure 102 de la boite à fluide 84 La partie inférieure 102 comprend un compartiment 110 dans lequel débouche la seconde partie du faisceau 82, et qui se prolonge vers le bas par un réservoir tampon 112 destiné à recueillir à la fois le fluide en phase liquide acheminé par le passage de communication 104 et le fluide en phase liquide provenant du faisceau 82. La partie inférieure 102 comporte une pompe électrique 114 munie d'une entrée 116 communiquant avec le réservoir 112 et d'une tubulure de sortie 118 permettant l'évacuation du fluide de refroidissement en phase liquide en direction du moteur, comme représenté par la flèche F 4. Dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, la boite à fluide 84 forme ainsi un module compact qui porte les principaux composants du dispositif de refroidissement, à savoir le séparateur liquide- vapeur, le réservoir-tampon, et la pompe de circulation Ce module peut porter aussi un vase d'expansion étanche analogue au vase 74 de la figure 1. Par ailleurs, la boîte à fluide 84 peut servir de support à différents organes d'actionnement du dispositif, notamment des capteurs de température ou de pression (non représentés) destinés à assurer la commande du ventilateur 108. Dans la forme de réalisation des figures 4 et 5, le dispositif comprend un condenseur 120 comportant un faisceau 122 permettant une circulation généralement verticale du fluide de refroidisse- ment Le faisceau 22 comprend un ensemble de tubes (non représen- tés) à direction générale verticale qui débouchent, d'une part, dans une boite à fluide supérieure 124 et, d'autre part, dans une boîte à fluide inférieure 126. La boite à fluide supérieure 124 comprend une entrée 128 pour le fluide de refroidissement en phase vapeur et en phase liquide provenant du moteur, comme représenté par la flèche F 5 La boite à fluide 124 comprend un compartiment 130 qui s'étend sur toute la largeur du faisceau 122 et qui communique, au travers d'un orifice 132, avec un compartiment 134 de recueil de liquide A l'intérieur de la boîte à fluide 124 est prévue une cloison partielle 136 disposée à proximité de l'entrée 128 pour obliger le fluide pénétrant dans la boîte à fluide 124 à se diriger vers le bas. Le compartiment 134 est muni, en partie inférieure, d'un embout 138 servant au raccordement d'une extrémité d'un tuyau 140 de circulation de liquide, dont l'autre extrémité est raccordée à un embout 142 de la boîte à fluide inférieure 126. Le fluide en phase liquide et en phase vapeur pénétrant dans la boîte à fluide 124 est séparé en ses deux phases constitutives. La phase liquide est recueillie par le compartiment 134 tandis que la phase vapeur pénètre dans le compartiment 130 et traverse ensuite le faisceau 122 sur toute sa largeur, comme représenté par les flèches F 6 Lors de la traversée de l'échangeur, le fluide de refroidissement en phase vapeur est condensé en phase liquide par échange de chaleur avec de l'air frais qui traverse le faisceau 122, le flux d'air étant éventuellement accéléré au moyen d'un groupe moto-ventilateur 144. Le fluide à l'état liquide est ensuite recueilli dans la boite à fluide inférieure 126 Cette dernière comprend un compartiment 146 qui s'étend sur toute la largeur du faisceau 122 et qui est destiné à recueillir le fluide à l'état liquide provenant du faisceau 122 La boîte à fluide 126 est prolongée latéralement par un réservoir de liquide 148, encore appelé réservoir tampon, et qui est disposé en dessous du compartiment 134 de la boite à fluide supérieure 124 Le réservoir 148 est muni, en partie supérieure, de l'embout 142 déjà cité Ainsi, le réservoir 148, qui est situé en contrebas par rapport au compartiment 146, recueille à la fois le liquide provenant du compartiment 146 et le liquide provenant du compartiment 134 via le tuyau 140 Le réservoir de liquide 148 est muni d'une pompe électrique 150 munie d'une entrée 152 débouchant dans le réservoir 148 et d'une sortie 154 pour faire circuler le fluide de refroidissement en direction du moteur, comme montré par la flèche F 7. ll La boite à fluide supérieure 124 peut être en outre munie d'un vase d'expansion (non représenté) analogue au vase 74 de la figure 1. Par ailleurs, la boîte à fluide supérieure 124 et/ou la boite à fluide inférieure 126 peuvent comporter différents actionneurs ou organes de commande, par exemple des capteurs de température ou de pression (non représentés) assurant la commande du ventilateur 144. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement des figures 4 et 5 est identique à celui des figures 2 et 3. Le choix entre le dispositif des figures 2 et 3 et celui des figures 4 et 5 est édicté essentiellement par des considérations d'implantation dans le véhicule automobile considéré. Revendications 1. Dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne, comprenant une entrée ( 90; 128) pour un fluide de refroidissement en phase vapeur et en phase liquide, une sortie ( 118; 154) pour le fluide de refroidissement en phase liquide, un condenseur ( 80; 120) interposé entre cette entrée et cette sortie, un séparateur de phases ( 92,94; 134,130) interposé entre l'entrée et le condenseur, un réservoir de liquide ( 112; 148) interposé entre le condenseur et la sortie, ainsi qu'une branche de circulation de liquide ( 104; 140) reliant le séparateur de phases et le réservoir de liquide, caractérisé en ce que le condenseur ( 80; 120) comprend un faisceau d'échange de chaleur ( 82; 122) portant au moins une boîte à fluide ( 84,86; 124, 126) et en ce que le séparateur de phases et le réservoir de liquide sont portés par au moins une boite à fluide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau ( 82) du condenseur ( 80) est à circulation générale horizontale, en étant monté entre deux boites à fluide, et en ce que l'une ( 84) des deux boites à fluide porte à la fois le séparateur de phases ( 92,94) et le réservoir de liquide ( 112), tandis que l'autre boîte à fluide ( 86) assure une communication de fluide entre deux parties du faisceau ( 82). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite boîte à fluide ( 84) est à disposition générale verticale et comporte une partie supérieure ( 88) comportant le séparateur de phases ( 92, 94) et l'entrée de fluide ( 90), ainsi qu'une partie inférieure ( 102) comportant le réservoir de liquide ( 112) et la sortie de fluide ( 118), et en ce que la branche de circulation de liquide est formée par un passage ( 104) de communication de liquide reliant directement la partie supérieure ( 88) et la partie inférieure ( 102). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie supérieure ( 88) de la boîte à fluide ( 84) comporte un premier compartiment ( 92) propre à retenir le liquide séparé et débouchant à sa base sur le passage ( 104) de communication de liquide et un second compartiment ( 94) communiquant avec le premier compartiment ( 92) et avec une partie du faisceau ( 82) du condenseur ( 80) pour y introduire la vapeur séparée, tandis que la partie inférieure ( 102) de la boite à fluide ( 84) comporte le réservoir de liquide ( 112) alimenté par une autre partie du faisceau ( 82) du condenseur ( 80) et par le passage ( 104) de communication de liquide. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie inférieure ( 102) de la boite à fluide ( 84) comporte une pompe ( 114) propre à faire circuler le liquide provenant du réservoir ( 112) vers la sortie ( 118). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau ( 122) du condenseur ( 120) est à circulation générale verticale en étant monté entre deux boites à fluide et en ce que l'une des boites à fluide ( 124) est disposée en partie supérieure du faisceau et comporte le séparateur de phases ( 130,134) et l'entrée de fluide ( 128), tandis que l'autre boîte à fluide ( 126) est disposée en partie inférieure du faisceau et comporte le réservoir de liquide ( 148) et la sortie de fluide ( 154), et en ce que la branche de circulation de liquide est formée par un tuyau ( 140) reliant le séparateur de phases et le réservoir de liquide. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le séparateur de phases comprend un compartiment ( 134) de recueil de liquide qui prolonge la boite à fluide supérieure et qui est muni d'un embout ( 138) pour le raccordement d'une extrémité du tuyau ( 140) de circulation de liquide, et en ce que le réservoir de liquide ( 148) prolonge la boîte à fluide inférieure ( 126) et est muni d'un embout ( 142) pour le raccordement d'une autre extrémité du tuyau ( 140) de circulation de liquide. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la boite à fluide inférieure ( 126) comporte une pompe ( 150) propre à faire circuler le liquide provenant du réservoir ( 148) vers la sortie ( 154). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un vase d'expansion étanche relié à la boite à fluide ( 84; 124) comportant le séparateur de phases. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le condenseur ( 80; 120) porte un ventilateur ( 108; 144) ainsi que des capteurs de température ou de pression assurant la commande de ce ventilateur.