Brevet FR2820371A1 — publié le 20020809

Dispositif de refroidissement et de chauffage de véhicule L'invention concerne un dispositif pour le refroidissement du moteur thermique et le chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile, comprenant un premier échangeur de chaleur propre à contribuer à un transfert de chaleur d'un fluide caloporteur à l'atmosphère, un second échangeur de chaleur propre à contribuer à un transfert de chaleur du fluide caloporteur à l'habitacle, une pompe propre à faire circuler le fluide dans le moteur et dans deux branches en parallèle contenant respectivement les premier et second échangeurs, et des moyens de commutation permettant au fluide entraîné par la pompe de circuler ou non dans chacun desdits échangeurs, les moyens de commutation comprenant une première vanne propre à interdire la circulation du fluide dans le premier échangeur lorsque sa température est inférieure à un premier seuil et à l'autoriser lorsque ladite température est supérieure au premier seuil. Une température du fluide caloporteur inférieure au premier seuil, qui est par exemple de 80 C, signifie que le moteur est lui-même à une température trop basse pour présenter des caractéristiques de fonctionnement optimales. Pour permettre au moteur de franchir le plus rapidement possible cette phase initiale d'échauffement, il convient d'empêcher que le fluide caloporteur circule dans le premier échangeur de chaleur pour y être refroidi. Tel est le rôle de la première vanne. Le but de l'invention est d'optimiser les conditions de circulation du fluide dans le second échangeur. L'invention vise notamment un dispositif du genre défini en introduction, et prévoit que les moyens de commutation comprennent en outre une seconde vanne propre à offrir une section de passage pour la circulation du fluide dans le second échangeur qui dépend de la température du fluide : maximale en-deçà d'un second seuil supérieur au premier seuil, progressivement décroissante entre le second seuil et un troisième seuil supérieur à celui-ci, et nulle au-delà du troisième seuil. Lorsque la température du fluide dépasse le second seuil, il est possible de réduire son débit dans le second échangeur tout en satisfaisant les besoins éventuels de chauffage de l'habitacle, réduisant ainsi les nuisances sonores résultant de la circulation dans cet échangeur. Le troisième seuil représente une limite qui n'est atteinte que dans conditions exceptionnelles de charge du moteur, par exemple lorsque le véhicule tracte une caravane dans une montée prolongée, et qu'il est souhaitable de dépasser le moins possible pour éviter une détérioration du moteur ou de ses performances. Pour ce faire, la circulation du fluide dans le second échangeur est arrêtée et le débit total de la pompe traverse le premier échangeur, qui offre une capacité de refroidissement plus élevée que le second échangeur. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après : - La seconde vanne est une vanne à trois voies dans laquelle ladite section de passage variable se situe entre des première et seconde voies reliées respectivement au moteur et au second échangeur, et propre à permettre une circulation de fluide entre la troisième voie, reliée à une conduite de dérivation, et l'une des première et seconde voies seulement lorsque la température du fluide est inférieure au troisième seuil. - La circulation de fluide entre la troisième voie et l'une des première et seconde voies est autorisée seulement lorsque la température du fluide est comprise entre les second et troisième seuils. - La première voie est une entrée et les seconde et troisième voies sont des sorties, ou inversement. - La circulation de fluide entre la troisième voie et l'une des première et seconde voies est autorisée même lorsque la température du fluide est inférieure au second seuil. - Les première et seconde voies sont des entrées et la troisième voie est une sortie, ou inversement. - La vanne à trois voies possède un organe mobile qui se déplace entre des première et seconde positions extrêmes lorsque la température du fluide varie entre les second et troisième seuils, ledit organe mobile comportant un premier élément obturateur qui isole la première voie des deux autres voies et un second élément obturateur qui isole la troisième voie des deux autres voies, dans la seconde position, les éléments obturateurs libérant les voies correspondantes hors de la seconde position. - L'organe mobile comporte un troisième élément obturateur qui isole la troisième voie des deux autres voies dans la première position et la libère hors de la première position. - La seconde vanne est propre en outre à interdire la circulation du fluide dans le second échangeur lorsque les deux conditions suivantes sont satisfaites : température du fluide inférieure au premier seuil et absence de demande de chauffage de l'habitacle. - La seconde vanne contient un milieu en contact thermique avec le fluide caloporteur et dont la dilatation thermique provoque le déplacement de l'organe mobile, des moyens étant prévus pour échauffer ledit milieu indépendamment de la température du fluide pour amener l'organe mobile dans sa seconde position en réponse auxdites deux conditions. - Les moyens pour échauffer ledit milieu comprennent une résistance électrique en contact thermique avec celui-ci, en série avec un interrupteur qui est fermé en réponse auxdites conditions. - L'un au moins desdits seuils est tel que défini ci-après : premier seuil : 80 Oc environ second seuil : 100 Oc environ troisième seuil : 110 Oc environ. - La seconde vanne est du type thermostatique, électrique ou pneumatique. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés. La figure 1 est une représentation schématique d'un circuit de fluide caloporteur dans un dispositif selon l'invention. Les figures 2a à 2d sont des vues en coupe d'une vanne thermostatique à trois voies appartenant au circuit de la figure 1, pour différentes températures du fluide. La figure 3 est une représentation analogue à la figure 1, relative à un circuit modifié. Les figures 4a à 4c sont des vues analogues aux figures 2a à 2d, représentant une vanne qui fait partie du circuit de la figure 3. Chacun des circuits représentés sur les figures 1 et 3 comprend trois composants principaux susceptibles d'être traversés par un fluide caloporteur, à savoir le moteur thermique 1 d'entraînement d'un véhicule automobile, un radiateur 2 prévu pour le refroidissement du moteur 1, et un radiateur 3 prévu pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. De manière classique, le circuit présente, à l'extérieur du moteur, deux branches principales dans lesquelles le fluide peut circuler en étant entraîné par une pompe 4, par exemple électrique, à savoir une première branche 5 dans laquelle le fluide pénètre, en provenance du moteur, à travers une vanne thermostatique 6, traversant le radiateur 2 et aboutissant à la pompe 4, et une seconde branche 7 qui part du moteur, traverse le radiateur 3 et aboutit également à la pompe 4. De manière classique égale- ment, une branche complémentaire 8 contenant un vase d'expansion 9 part de la sortie de la vanne 6 et rejoint la branche 5 en un point de jonction A situé en aval du radiateur 2. Dans le circuit de la figure 1, la pompe 4 ramène au moteur 1 la totalité du fluide circulant dans les branches 5 et 7. De plus, une vanne thermostatique à trois voies 10 est interposée sur la branche 7, en amont du radiateur 3, et communique par une conduite 11 avec un point de jonction B situé sur la branche 7 en aval du radiateur 3. L'entrée de la vanne 10 reliée au moteur 1, sa sortie reliée au radiateur 3 et sa sortie reliée au point B sont désignées respectivement par les références 10-1,10-2 et 10-3. Un exemple de réalisation de la vanne 10 est représenté sur les figures 2a à 2d. Cette vanne comprend un corps de vanne formé de deux pièces 21 et 22 sensiblement de révolution autour d'un axe 23, mutuellement assemblées de manière étanche au fluide. La pièce 21 comporte une tubulure 24 s'étendant selon l'axe 23 et définissant l'entrée 10-1 de la vanne. Les sorties 10-2 et 10-3 sont définies par des tubulures 25 et 26 rapportées respectivement sur les pièces 21 et 22, et s'étendant respectivement perpendiculairement à l'axe 23 et obliquement par rapport à celui-ci. À l'intérieur du corps 21,22 est disposé un bulbe 30 contenant une substance fluide à coefficient de dilatation thermique élevé, et dans lequel peut coulisser une tige 31, celle-ci faisant saillie hors du bulbe d'une longueur d'autant plus grande que la température de la substance fluide et par conséquent son volume sont plus élevés. La tige 31 est fixée par son extrémité libre à la pièce 22 et s'étend selon l'axe 23, de telle sorte que le bulbe 30 se déplace le long de cet axe en fonction de la température. Une résistance électrique 32, reliée à une source de tension par l'intermédiaire d'un interrupteur 33, est placée à l'intérieur du bulbe 30. Pour la commodité de la description, on considère que la vanne 10 et orientée comme montré sur les figures 2a à 2d, l'axe 23 étant vertical, la pièce 22 étant située à la partie inférieure et la tubulure 24 étant tournée vers le haut. Le bulbe 30 peut ainsi se déplacer entre une position extrême inférieure montrée sur la figure 2b, la tige 31 étant rentrée au maximum, et une position extrême supérieure montrée sur les figures 2a et 2d, la tige 31 étant sortie au maximum. Le bulbe 30 porte trois clapets sous forme d'anneaux profilés en tôle, de révolution autour de l'axe 23, propre chacun à coopérer avec un siège formé par une surface annulaire du corps orientée radialement, pour obturer et libérer un passage pour le fluide à l'intérieur de la vanne. Un premier clapet 34 coopère avec un siège 35 tourné vers le bas, formé dans la pièce 21 au-dessous de la tubulure 24 et au-dessus de la tubulure 25. Un ressort à spires conique 36, comprimé axialement entre un épaulement du bulbe 30 et le clapet 34, applique ce dernier contre le siège 34, dans la position haute du bulbe, de manière à isoler l'entrée 10-1 de l'intérieur de la vanne. Un clapet 37 coopère avec un siège 38 de la pièce 22, tourné vers le haut et situé plus haut que la tubulure 26, pour isoler la sortie 10-3 de l'intérieur de la vanne dans la position basse du bulbe. Enfin, un clapet 39 situé immédiatement au-dessus du clapet 37 coopère avec un siège 40 formé dans la pièce 21, tourné vers le bas et faisant face au siège 38, de manière à séparer l'intérieur de la vanne, dans la position haute du bulbe, en une chambre supérieure communiquant avec les voies 10-1 et 10-2 et une chambre inférieure 42 communiquant avec la voie 10-3. Dans l'exemple illustré, le clapet 37 est soudé sur le bulbe 30 et le clapet 39 est soudé sur la face supérieure du précédent. Un ressort hélicoïdal 43, comprimé axialement entre le clapet 39 et un épaulement interne 44 de la pièce 21, favorise le retour du bulbe vers sa position basse. Le circuit de la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Lors du démarrage à froid du moteur 1, la température basse du fluide caloporteur contenu dans celui-ci provoque la fermeture de la vanne thermostatique 6, de sorte que le fluide ne circule pas dans la branche 5 et par conséquent dans le radiateur de refroidissement 2. Par ailleurs, l'interrupteur 33 est commandé conjointement en fonction de la température du fluide et de la demande de chauffage de l'habitacle de manière à être fermé seulement lorsque le fluide est froid et en l'absence de demande de chauffage. Lorsque ces deux conditions sont remplies, comme montré sur la figure 2a, la fermeture de l'interrupteur 33 provoque l'alimentation de la résistance 32 et l'échauffement de la substance contenue dans le bulbe 30, amenant celui-ci dans sa position supérieure où le clapet 34 obture l'entrée 10-1 reliée au moteur. Le fluide ne circule donc pas non plus dans les branches 7 et 11, et reste à l'intérieur du moteur 1, assurant un échauffement aussi rapide que possible de celuici. La pompe 4 tourne alors à vide. Si au contraire le chauffage de l'habitacle est demandé, l'interrupteur 33 est ouvert, comme montré sur la figure 2b, de sorte que la résistance 32 n'est pas alimentée et que le bulbe est maintenu en position basse par la température basse du fluide. La sortie 10-3 est donc fermée par le clapet 37, tandis que le clapet 34 libère la communication entre l'entrée 10-1 et la sortie 10-2. Ainsi, le seul débit de fluide en circulation est celui requis dans le radiateur 3 pour le chauffage de l'habitacle. Lorsque la température du fluide dans le moteur atteint une valeur permettant à celui-ci de fonctionner dans des conditions à peu près optimales, par exemple 80 oc, la vanne thermostatique 6 s'ouvre et le fluide circule dans le radiateur de refroidissement 2. Le même seuil de température, au moins approximativement, est utilisé pour la commande de l'interrupteur 33, de sorte que la configuration de la figure 2b, dans laquelle un débit maximal circule dans le radiateur de chauffage 3, est alors obtenue aussi bien en cas de demande de chauffage que dans le cas contraire, le radiateur 3 n'étant bien entendu pas balayé par un flux d'air dans ce dernier cas. Lorsque la température du fluide dépasse un second seuil, par exemple 100 oc, la dilatation de la substance contenue dans le bulbe 30, du fait de son immersion dans le fluide, provoque son soulèvement, comme montré sur la figure 2c. Le clapet 37 s'écarte alors du siège 38, libérant la sortie 10- 3, de sorte que le fluide pénétrant dans la vanne 10 par l'entrée 10-1 se répartit entre la sortie 10-2 conduisant au radiateur 3 et la sortie 10-3 ramenant à la pompe 4, le débit de fluide dans le radiateur 3 étant fonction décroissante de sa température. Enfin, lorsque la température du fluide caloporteur atteint un troisième seuil, par exemple 110 oc, le bulbe 30 arrive à sa position haute, comme montré sur la figure 2d, interdisant toute circulation du fluide dans les branches 7 et 11 comme indiqué plus haut à propos de la figure 2a. Lors du soulèvement du bulbe 30 (figure 2c), la section de passage entre le clapet 34 et son siège 35 diminue progressivement, de sorte qu'une fraction croissante du débit créé par la pompe 4 traverse le radiateur 2, améliorant l'efficacité du refroidissement. Cette efficacité est maximale dans la position de la figure 2d, qui n'est atteinte que dans des circonstances exceptionnelles, par exemple en cas de traction d'une remorque lourde telle qu'une caravane pendant une montée prolongée. La figure 3 montre un moteur 1, un radiateur de refroidissement 2, un radiateur de chauffage 3, une branche 5, une vanne thermostatique 6, une branche 8 et un vase d'expansion 9 semblables aux éléments désignés par les mêmes références sur la figure 1. De même, une branche 7 du circuit va de la sortie du moteur 1 à la pompe 4 en passant par une vanne à trois voies 10 et par le radiateur 3, la vanne 10 étant reliée au moteur 1 par une entrée 10-1 et au radiateur 3 par une sortie 10-2. À la différence de la figure 1, la troisième voie 10-3 de la vanne 10 est une entrée qui est reliée à la sortie de la pompe 4 par une branche 12. La vanne 10 utilisée dans le circuit de la figure 3, représentée en détail sur les figures 4a à 4c, a la même structure que celle des figures 2a à 2d, mais est raccordée différemment, les voies 10-1,10-2 et 10-3 étant définies respectivement par les tubulures 26,25 et 24. L'interrupteur 33 associé à la résistance 32 est commandé comme décrit plus haut à propos des figures 2a et 2b, de sorte que, lorsque le moteur est froid et en l'absence de demande de chauffage, on obtient la configuration de la figure 4a, identique à celle de la figure 2a, isolant les unes des autres les voies 10-1 à 10-3 et interdisant toute circulation de fluide dans les branches 7 et 12. Dans la vanne des figures 4a à 4c, la tige 31 a une longueur minimale de dépassement hors du bulbe 30 plus grande que dans la vanne des figures 2a à 2d, de sorte que, dans la position la plus basse pouvant être atteinte par le bulbe 30, l'interrupteur 33 étant ouvert et le moteur étant froid, le clapet 37 est détaché du siège 38 (figure 4b) permettant la communication entre les voies 10-1 à 10-3 et la circulation du fluide aussi bien dans le radiateur 3 que dans la branche 12. À partir du second seuil de température (100 C), la tige 31 sort progressivement du bulbe 30, soulevant ce dernier et rapprochant les clapets 34 et 39 des sièges 35 et 40 respectivement, ce qui fait décroître le débit du fluide pénétrant par l'entrée 10-1 en provenance du moteur et celui pénétrant par l'entrée 10-3 en provenance de la branche 12, et par conséquent le débit du fluide dans le radiateur 3, qui est la somme des deux précédents. Ces deux clapets obturent les passages correspondants (figure 4c) lorsque la température du fluide atteint ou dépasse le troisième seuil (110 C), de sorte que la totalité du débit produit par la pompe 4 passe par le radiateur de refroidissement 2. Comme indiqué plus haut, la vanne représentée sur les figures 2a à 2d, utilisée dans le circuit de la figure 1, et celle représentée sur les figures 4a à 4c, utilisée dans le circuit de la figure 3, sont identiques à l'exception de la longueur de la tige 31. On notera cependant que le clapet 39 n'est pas nécessaire au fonctionnement du circuit de la figure 1 puisque, à chaque fois qu'il est fermé (figures 2a et 2d), le clapet 34 est également fermé, interdisant tout entrée de fluide dans la vanne. Le clapet 39 peut alors être supprimé, le ressort 44 s'appuyant directement sur le clapet 37. De même, le clapet 37 n'est pas nécessaire au fonctionnement du circuit de la figure 3, puisqu'il ne vient jamais en contact avec le siège 38. Les clapets 37 et 39 peuvent alors être remplacés par un clapet unique fixé sur le bulbe 30 et venant en contact avec le siège 40 dans la position haute du bulbe. En outre, la vanne thermostatique à trois voies peut être d'un autre type que celui à substance dilatable en contact thermique avec le fluide caloporteur. Il peut s'agir par exemple d'une vanne commandée électriquement. Par ailleurs, la circulation du fluide dans la branche 7 et dans la branche de dérivation 11 ou 12 peut être inversée par rapport à celui montré sur les figures 1 et 3, les entrées de la vanne 10 devenant des sorties et inversement. Revendications 1. Dispositif pour le refroidissement du moteur thermique (1) et le chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile, comprenant un premier échangeur de chaleur (2) propre à contribuer à un transfert de chaleur d'un fluide caloporteur à l'atmosphère, un second échangeur de chaleur (3) propre à contribuer à un transfert de chaleur du fluide caloporteur à l'habitacle, une pompe (4) propre à faire circuler le fluide dans le moteur et dans deux branches (5,7) en parallèle contenant respectivement les premier et second échangeurs, et des moyens de commutation (6,10) permettant au fluide entraîné par la pompe de circuler ou non dans chacun desdits échangeurs, les moyens de commutation comprenant une première vanne (6) propre à interdire la circulation du fluide dans le premier échangeur lorsque sa température est inférieure à un premier seuil et à l'autoriser lorsque ladite température est supérieure au premier seuil, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent en outre une seconde vanne (10) propre à offrir une section de passage pour la circulation du fluide dans le second échangeur qui dépend de la température du fluide : maximale en-deçà d'un second seuil supérieur au premier seuil, progressivement décroissante entre le second seuil et un troisième seuil supérieur à celui-ci, et nulle au-delà du troisième seuil. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la seconde vanne est une vanne à trois voies (10) dans laquelle ladite section de passage variable se situe entre des première et seconde voies (10-1,10-2) reliées respectivement au moteur et au second échangeur, et propre à permettre une circulation de fluide entre la troisième voie (10-3), reliée à une conduite de dérivation (11), et l'une des première et seconde voies seulement lorsque la température du fluide est inférieure au troisième seuil. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la circulation de fluide entre la troisième voie et l'une des première et seconde voies est autorisée seulement lorsque la température du fluide est comprise entre les second et troisième seuils. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la première voie (10-1) est une entrée et les seconde et troisième voies (10-2,10-3) sont des sorties, ou inversement. 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la circulation de fluide entre la troisième voie et l'une des première et seconde voies est autorisée même lorsque la température du fluide est inférieure au second seuil. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les première et seconde voies (10-1,10-2) sont des entrées et la troisième voie (10-3) est une sortie, ou inversement. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel la vanne à trois voies possède un organe mobile (30) qui se déplace entre des première et seconde positions extrêmes lorsque la température du fluide varie entre les second et troisième seuils, ledit organe mobile comportant un premier élément obturateur (34) qui isole la première voie (10-1) des deux autres voies (10-2,10-3) et un second élément obturateur (39) qui isole la troisième voie des deux autres voies, dans la seconde position, les éléments obturateurs libérant les voies correspondantes hors de la seconde position. 8. Dispositif selon la revendication 7, rattachée à la revendication 3, dans lequel l'organe mobile comporte un troisième élément obturateur (37) qui isole la troisième voie des deux autres voies dans la première position et la libère hors de la première position. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la seconde vanne est propre en outre à interdire la circulation du fluide dans le second échangeur (3) lorsque les deux conditions suivantes sont satisfaites : température du fluide inférieure au premier seuil et absence de demande de chauffage de l'habitacle. 10. Dispositif selon la revendication 9, rattachée à la revendication 7, dans lequel la seconde vanne contient un milieu en contact thermique avec le fluide caloporteur et dont la dilatation thermique provoque le déplacement de l'organe mobile, des moyens (32,33) étant prévus pour échauffer ledit milieu indépendamment de la température du fluide pour amener l'organe mobile (30) dans sa seconde position en réponse auxdites deux conditions. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens pour échauffer ledit milieu comprennent une résistance électrique (32) en contact thermique avec celui-ci, en série avec un interrupteur (33) qui est fermé en réponse auxdites conditions. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'un au moins desdits seuils est tel que défini ci-après : premier seuil : 80 Oc environ second seuil : 100 Oc environ troisième seuil : 110 Oc environ. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la seconde vanne (10) est du type thermostatique, électrique ou pneumatique.