Brevet FR2693764A1 — publié le 19940121

Dispositif de refroidissement en mode diphasigue pour un moteur à combustion interne L'invention concerne le refroidissement d'un moteur à combustion interne, notamment dans un véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de refroi- dissement d'un moteur à combustion interne, dans lequel on utilise un fluide de refroidissement qui est porté à ébulli- tion 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'anti- gel, est présent sous deux phases distinctes, l'une à l'état de liquide, et l'autre à l'état de vapeur. Ce mode de refroidissement diphasique est à distinguer du mode de refroidissement classique, ou mode monophasique, dans lequel le fluide de refroidissement est présent sous une seule phase, à savoir une phase liquide. Dans un mode de refroidissement classique ou monophasique, le fluide de refroidissement à l'état liquide quitte le moteur, est refroidi ensuite dans un radiateur muni d'un ventilateur, avant de retourner vers le moteur, la circulation du fluide se faisant par convexion forcée sous l'action d'une pompe. Dans un circuit de refroidissement fonctionnant en mode diphasique, le fluide à l'état de vapeur est condensé dans l'échangeur de chaleur qui est situé à la même place que le radiateur de refroidissement dans un circuit fonctionnant en mode classique ou monophasique. On connaît déjà un dispositif de refroidissement en mode diphasique pour un moteur à combustion interne, comprenant un échangeur de chaleur comportant une entrée pour un fluide de refroidissement en phase vapeur à condenser et une sortie pour le fluide condensé et refroidi sous forme de phase liquide, un vase d'expansion et des conduites de raccordement avec le moteur pour constituer ainsi les éléments d'un circuit de refroidissement, ainsi qu'un groupe moto-ventila- teur propre à contrôler le débit d'un flux d'air au travers de l'échangeur de chaleur. Dans un tel dispositif de refroidissement fonctionnant en mode diphasique, de même que dans un radiateur de refroidis- sement fonctionnant en mode monophasique, la commande du groupe motoventilateur se fait jusqu'à présent par un détecteur de température, encore appelé "thermo-contact", disposé sur le circuit de refroidissement. Le groupe moto-ventilateur est mis en marche dès que la température du fluide de refroidissement, telle que détermi- née par le détecteur de température, dépasse un seuil déterminé, et il est arrêté lorsque la température du fluide de refroidissement est redescendue au-dessous de ce seuil. Ce dispositif connu présente certains inconvénients. En effet, dès l'arrêt du moteur à combustion interne, les moyens de commande du groupe moto-ventilateur par le thermo- contact fonctionnent pendant un temps très court en raison de la chute de température à l'entrée de la pompe de circulation du fluide de refroidissement dans le circuit. Du fait que le fluide de refroidissement est en ébullition dans le moteur, il en résulte un déplacement du fluide de refroidissement en phase liquide vers le vase d'expansion. Dans ces conditions, si le groupe moto-ventilateur n'est pas commandé, le liquide risque de déborder du vase d'expansion. Par ailleurs, le thermocontact ne peut être placé à la sortie du moteur du fait de la faible variation de température à cet endroit. L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvé- nient. L'invention propose à cet effet un dispositif de refroidisse- ment du type mentionné précédemment, lequel comprend un détecteur de niveau de liquide placé à un niveau choisi dans un des éléments du circuit de refroidissement et relié à des moyens de commande pour mettre en marche ou arrêter le groupe moto-ventilateur en fonction du niveau du fluide de refroi- dissement dans cet élément. Ainsi, la commande du groupe moto-ventilateur s'effectue à partir de la détection du niveau de la phase liquide dans un élément du circuit de refroidissement, et non pas à partir d'une détection de température. De ce fait, on évite, dès l'arrêt du moteur à combustion interne, tout déplacement du liquide vers le vase d'expansion et par conséquent tout risque de débordement. Le détecteur de niveau de liquide peut être placé, par exemple, soit dans une boîte collectrice que présente l'échangeur de chaleur, soit sur la conduite reliant le moteur à combustion interne à l'entrée de l'échangeur de chaleur, soit encore sur le vase d'expansion. Dans les deux premiers cas, le détecteur de niveau agit sur la commande du groupe moto-ventilateur pour le mettre en marche lorsque la phase liquide contenue dans l'élément (boîte collectrice ou conduite) est à un niveau situé au- dessous du niveau choisi du détecteur, et pour l'arrêter lorsque la phase liquide dans l'élément est à un niveau situé au-dessus du niveau choisi. Ainsi, la mise en marche du ventilateur accélère le refroi- dissement du fluide de refroidissement et par conséquent la condensation de la phase vapeur, ce qui fait monter le niveau de la phase liquide dans l'élément. La mise en marche du ventilateur accélère le refroidissement du fluide de refroidissement et par conséquent la condensa- tion de la phase vapeur, ce qui fait monter le niveau de la phase liquide dans l'élément Lorsque ce niveau de la phase liquide atteint celui du détecteur de niveau, le groupe moto- ventilateur est arrêté, et ainsi de suite. Dans le dernier cas, o le détecteur de niveau est placé sur le vase d'expansion, ce détecteur agit sur la commande du groupe moto- ventilateur pour le mettre en marche lorsque la phase liquide contenue dans l'élément (vase d'expansion) est à un niveau situé au-dessus du niveau choisi et l'arrêter lorsque la phase liquide dans l'élément est à un niveau situé au-dessous du niveau choisi. Dans ce cas, la mise en marche du ventilateur accélère le refroidissement du fluide de refroidissement et par consé- quent la condensation de la phase vapeur, ce qui fait descendre le niveau de la phase liquide dans le vase d'expan- sion. L'échangeur de chaleur du dispositif de refroidissement de l'invention peut comporter, soit une seule boîte collectrice, soit de préférence deux boites collectrices montées de part et d'autre d'un corps d'échangeur de chaleur. Dans ce dernier cas, l'échangeur de chaleur comprend une première boîte collectrice qui comporte l'entrée et la sortie pour le fluide de refroidissement, ainsi qu'une seconde boîte collectrice. Dans le cas o le détecteur de niveau est placé dans une boite collectrice de l'échangeur de chaleur, ce détecteur de niveau est alors avantageusement contenu dans la seconde boîte collectrice précitée, qui a l'avantage d'être moins sujette aux remous que la première boîte collectrice. Dans une forme de réalisation de l'invention, le détecteur de niveau comprend deux électrodes propres à être situées en dehors de la phase liquide ou à être noyées par la phase liquide contenue dans l'élément. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le détecteur de niveau est du type à flotteur. Les moyens de commande de l'échangeur de chaleur de l'inven- tion comprennent avantageusement un relais de puissance interposé entre le détecteur de niveau et le groupe moto- ventilateur Ce relais de puissance peut être séparé du détecteur de niveau ou intégré à celui-ci. L'invention s'applique tout particulièrement à un circuit dans lequel le fluide de refroidissement quitte l'échangeur de chaleur à l'état de phase liquide par une conduite sur laquelle est montée une pompe Selon l'invention, la hauteur du détecteur de niveau est avantageusement choisie de telle sorte que la température du fluide en phase liquide entrant dans la pompe est inférieure à la température de cavitation. On évite ainsi tous dommages à la pompe. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'un circuit de refroidissement, fonctionnant en mode diphasique, d'un moteur à combustion interne; la figure 2 représente une partie du circuit de la f igu- re 1, dans le cas o le détecteur de niveau est placé dans une boîte collectrice de l'échangeur de chaleur, le niveau de la phase liquide correspondant à une position d'arrêt du groupe moto-ventilateur; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1, dans laquelle le niveau de la phase liquide correspond à une position de mise en marche du groupe moto-ventilateur; la figure 4 est un schéma des moyens de commande disposés entre le détecteur de niveau et le groupe moto- ventilateur, dans une première forme de réalisation; la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 3, dans une autre variante de réalisation; la figure 6 représente une partie du circuit de la f igu- re 1, dans le cas o le détecteur de niveau est placé sur la conduite reliant le moteur à l'entrée de l'échangeur de chaleur, le niveau de la phase liquide correspondant à une position d'arrêt du groupe motoventilateur; la figure 7 est une vue analogue à celle de la figure 6, dans laquelle le niveau de la phase liquide correspond à une position de mise en marche du groupe moto-ventilateur; la figure 8 représente une partie du circuit de la f igu- re 1, dans le cas o le détecteur de niveau est placé sur le vase d'expansion, le niveau de la phase liquide correspondant à une position d'arrêt du groupe moto-ventilateur; et la figure 9 est une vue analogue à celle de la figure 8, dans laquelle le niveau de la phase liquide correspond à une position de mise en marche du groupe moto-ventilateur. Le dispositif de refroidissement illustré à la figure 1 est destiné à refroidir un moteur à combustion interne M faisant partie, par exemple, d'un véhicule automobile Le dispositif utilise un fluide de refroidissement qui circule entre le moteur M et un échangeur de chaleur 10 partiellement rempli de ce fluide. Le fluide de refroidissement, sous forme de phase liquide L, quitte l'échangeur de chaleur 10 pour gagner l'entrée du moteur M au travers d'une conduite d'entrée 2 Le fluide est au moins en partie vaporisé dans le moteur et quitte ce dernier, en phase liquide L et en phase vapeur V, par une conduite de sortie 4 qui aboutit à l'échangeur de chaleur 10. Sur la conduite 2 sont montés, successivement, dans le sens de circulation du fluide, un vase d'expansion 6 et une pompe de circulation 8. L'échangeur de chaleur 10 comprend une première boîte collectrice 12 et une seconde boîte collectrice 14 montées respectivement de part et d'autre d'un corps d'échangeur 16 avec lequel elles sont en communication de fluide. La première boîte collectrice 12, qui est à disposition générale verticale, comprend, en partie supérieure, une tubulure d'entrée 18 et, en partie inférieure, une tubulure de sortie 20 La tubulure d'entrée 18 est reliée à la conduite 4 pour recevoir le fluide de refroidissement en phase liquide et en phase vapeur provenant du moteur à combustion interne M La tubulure de sortie 20 est reliée à la conduite 2 pour permettre l'évacuation du fluide de refroidissement en phase liquide pour qu'il retourne au moteur M, la circulation se faisant au moyen de la pompe 8. Le circuit de refroidissement associé au moteur M a été volontairement simplifié sur le dessin. La boîte collectrice 12 comprend une cloison séparatrice 22 pour la diviser en deux compartiments: un compartiment supérieur 24 dans lequel débouche la tubulure 18 et un compartiment inférieur 26 dans lequel débouche la tubulu- re 20. La seconde boîte collectrice 14 est également à disposition générale verticale mais ne comporte pas de cloison séparatri- ce. Le corps 16 de l'échangeur de chaleur est avantageusement constitué par un faisceau de tubes horizontaux (non représen- tés) traversant des ailettes (non représentées) et reliés de façon étanche aux deux boîtes collectrices 12 et 14 Le corps d'échangeur 16 est propre à être balayé par un flux d'air qui le traverse dans une direction généralement perpendiculaire à celle du dessin Ce flux d'air est mis en mouvement par un groupe moto-ventilateur 28 constitué lui-même d'un ventila- teur 30 entraîné en rotation par un moteur 32. Dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, la boîte collectrice 14 contient un détecteur de niveau de liquide 34 placé à un niveau choisi Ho dans la boîte collectrice pour détecter le niveau du liquide contenu dans cette dernière Le niveau est ici considéré comme la hauteur de liquide dans la boite collectrice. Le fluide de refroidissement du moteur, généralement consti- tué d'eau additionnée d'un antigel, quitte ce moteur à l'état de phase liquide et de phase vapeur et pénètre sous cette forme dans le compartiment 24 au travers de la tubulure 18. Ce compartiment 24 contient donc une phase liquide L et une phase vapeur V Le mélange constitué par la phase liquide L et la phase vapeur V traverse une partie du corps d'échangeur 16 pour gagner le compartiment 14 dans lequel on retrouve également une phase liquide L surmontée par une phase vapeur V, la phase liquide L atteignant un niveau H 1 qui, dans le cas de la figure 2, est supérieur à Ho Le fluide de refroi- dissement en phase liquide traverse ensuite la partie inférieure du corps d'échangeur 16 pour gagner le comparti- ment 26 et retourner ensuite vers le moteur M, sous l'action de la pompe 8. Le détecteur de niveau 34 est relié au moteur 32 du groupe motoventilateur 28 par des moyens de commande CMD, lesquels sont propres à mettre en marche ou respectivement arrêter le moteur 32 lorsque la phase liquide dans la boîte collectrice 14 est à un niveau situé au-dessous ou respectivement au- dessus du niveau choisi Ho du détecteur 34. Dans le cas de la figure 2, le niveau Hl est au-dessus du niveau Ho, si bien que les moyens de commande CMD sont dans un état tel que le groupe moto-ventilateur est arrêté Par contre, dans le cas de la figure 3, la phase liquide L présente dans la boîte collectrice 14 atteint un niveau H 2 qui est en dessous du niveau Ho du détecteur de niveau 34 Il s'ensuit que les moyens de commande CMD agissent pour mettre en marche le groupe moto-ventilateur 28. La mise en marche du groupe moto-ventilateur fait accroître le débit d'air balayant le corps d'échangeur 16, ce qui accélère la condensation de la phase vapeur V contenue dans le fluide de refroidissement pénétrant dans l'échangeur de chaleur et augmente ainsi le niveau de la phase liquide, notamment dans la boîte collectrice 14 Lorsque ce niveau atteint le niveau Ho, le groupe moto-ventilateur est automa- tiquement mis à l'arrêt. Dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, le détecteur de niveau 34 comporte deux électrodes espacées 36 placées dans la boîte collectrice et agissant sur la commande du groupe moto-ventilateur pour le mettre en marche lorsqu'elles sont en dehors de la phase liquide et l'arrêter lorsqu'elles sont noyées dans la phase liquide. Bien entendu, il est possible d'utiliser d'autres types de détecteurs de niveau, par exemple un détecteur de niveau à flotteur. Dans le cas de la figure 4, la commande du groupe moto- ventilateur 28 s'effectue au travers d'un relais de puissance 38 séparé du détecteur de niveau 34. Dans le cas de la figure 5, le détecteur de niveau 34 incorpore un relais de puissance, qui joue la même fonction que le relais 38 de la figure 4, et qui n'est pas visible sur le dessin. Dans la forme de réalisation des figures 6 et 7, auxquelles on se réfère maintenant, le détecteur de niveau 34, dans l'exemple du type à électrodes, est placé sur la conduite 4 reliant le moteur M à l'entrée 18 de l'échangeur de chaleur 10. Le dispositif fonctionne de la même manière que dans la forme de réalisation des figures 2 et 3 Le groupe moto-ventilateur 28 est mis en marche lorsque la phase liquide L, contenue dans la conduite 4, est à un niveau H 2 situé au-dessous du niveau Ho (figure 7) Le groupe moto-ventilateur est arrêté lorsque la phase liquide L est à un niveau H 1 situé au-dessus du niveau Ho (figure 6). Dans la forme de réalisation des figures 8 et 9, auxquelles on se réfère maintenant, le détecteur de niveau 34, dans l'exemple du type à électrodes, est placé dans le vase d'expansion 6. Toutefois, dans cette forme de réalisation, la commande du groupe motoventilateur s'effectue d'une manière différente de celle des formes de réalisation précédentes. En effet, le groupe moto-ventilateur est mis en marche lorsque la phase liquide L, contenue dans le vase d'expan- sion, est à un niveau H 2 situé au-dessus du niveau choisi Ho (figure 9) Le groupe moto-ventilateur est arrêté lorsque cette phase liquide est à un niveau H 1 situé au-dessous du niveau Ho (figure 8). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation précédemment décrites et représentées. Ainsi, dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, l'échangeur de chaleur peut comporter une ou deux boîtes collectrices et, dans le cas d'un échangeur de chaleur à deux boîtes collectrices, le détecteur de niveau peut être implanté indifféremment dans l'une des deux boîtes collectri- ces. il L'invention s'applique aussi à un échangeur de chaleur du type "multi-passe" dans lequel la boîte collectrice recevant le détecteur de niveau comporte une ou plusieurs cloisons. La commande du groupe moto-ventilateur s'effectue par des moyens simplifiés et il est ainsi possible de réaliser un échangeur de chaleur déjà prééquipé, c'est-à-dire comportant le groupe moto-ventilateur, le détecteur de niveau et les moyens de commande interposés entre le détecteur de niveau et le groupe moto-ventilateur. Revendications 1. Dispositif de refroidissement en mode diphasique pour un moteur à combustion interne, comprenant un échangeur de chaleur ( 10) comportant une entrée ( 18) pour un fluide de refroidissement en phase vapeur à condenser et une sortie ( 20) pour le fluide condensé et refroidi sous forme de phase liquide, un vase d'expansion ( 6) et des conduites de raccor- dement ( 2,4) avec le moteur (M) pour constituer ainsi les éléments d'un circuit de refroidissement, ainsi qu'un groupe moto-ventilateur ( 28) propre à contrôler le débit d'un flux d'air au travers de l'échangeur de chaleur ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de niveau de liquide ( 34) placé à un niveau choisi (Ho) dans un des éléments ( 10,4,6) du circuit de refroidissement et relié à des moyens de commande (CMD) pour mettre en marche ou arrêter le groupe moto- ventilateur ( 28) en fonction du niveau (H 2,H 1) du fluide de refroidissement dans cet élément. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de niveau ( 34) est placé dans une boîte collectrice ( 14) que présente l'échangeur de chaleur ( 10). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de niveau ( 34) est placé sur la conduite ( 4) reliant le moteur (M) à l'entrée ( 18) de l'échangeur de chaleur ( 10). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de niveau ( 34) est placé sur le vase d'expansion ( 6). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que le détecteur de niveau ( 34) agit sur la commande du groupe moto-ventilateur ( 28) pour le mettre en marche lorsque la phase liquide (L) contenue dans l'élément ( 10,4) est à un niveau (H 2) situé au-dessous du niveau choisi (Ho) et pour l'arrêter lorsque la phase liquide (L) dans l'élément est à un niveau (Hl) situé au-dessus du niveau choisi (Ho). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le détecteur de niveau ( 34) agit sur la commande du groupe moto-ventilateur ( 28) pour le mettre en marche lorsque la phase liquide (L) dans l'élément ( 6) est à un niveau (H 2) situé au- dessus du niveau choisi (Ho) et l'arrêter lorsque la phase liquide (L) dans l'élément est à un niveau (H 1) situé au-dessous du niveau choisi (Ho). 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 5, dans lequel l'échangeur de chaleur ( 10) comprend une première boîte collectrice ( 12) qui comporte l'entrée ( 18) et la sortie ( 20) pour le fluide de refroidissement, ainsi qu'une seconde boîte collectrice ( 14), caractérisé en ce que le détecteur de niveau ( 34) est contenu dans cette seconde boîte collectrice ( 14). 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce que le détecteur de niveau ( 34) comprend deux électrodes ( 36) propres à être situées en dehors de la phase liquide (L) ou à être noyées dans la phase liquide (L) contenue dans l'élément. 9. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 7, caracté- risé en ce que le détecteur de niveau ( 34) est du type à flotteur. 10 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de commande (CMD) compren- nent un relais de puissance ( 38) interposé entre le détecteur de niveau ( 34) et le groupe moto-ventilateur ( 28). 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le relais de puissance ( 38) est séparé du détecteur de niveau ( 34). 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le relais de puissance ( 38) est intégré au détecteur de niveau ( 34). 13 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le fluide de refroidissement quitte l'échangeur de chaleur ( 10) à l'état de phase liquide (L) par une conduite ( 2) sur laquelle est montée une pompe ( 8), caractérisé en ce que le niveau (Ho) du détecteur de niveau ( 34) est choisi de telle sorte que la température du fluide en phase liquide (L) entrant dans la pompe (P) est inférieure à la température de cavitation.