Brevet FR2821038A1 — publié le 20020823

La présente invention est relative à un dispositif de gestion thermique d'un véhicule automobile. L'invention a pour but de fournir un dispositif de gestion thermique d'un véhicule automobile, par lequel peuvent être gérées pratiquement toutes les fonctions thermiques pouvant se présenter dans un véhicule automobile. Des caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : ! es figures 1 et 2 représentent le schéma d'un mode de réalisation de l'invention, respectivement en configuration été et hiver. Toutes les figures montrent le schéma du dispositif de gestion dans le cadre d'un véhicule automobile V représenté très schématiquement et dont l'avant est supposé se situer sur la droite des figures. On se référant désormais à la figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation d'un dispositif de gestion selon l'invention qui est conçu pour gérer le régime thermique d'une pile à combustible 1 pouvant être de type à membrane échangeuse de protons. Le fonctionnement de cette pile est basé sur la combustion électrochimique d'un carburant pouvant être de l'hydrogène, de l'ammoniac, du méthanol, de l'essence ou un autre hydrocarbure approprié, à l'aide d'un comburant qui est en général de l'air. L'hydrogène peut être pur, mais dans l'exemple décrit, il peut être obtenu par reformage à partir des autres carburants mentionnés. Le produit de combustion issu de la pile est de l'eau. Sur la figure 1, on voit ainsi qu'il est prévu un réservoir de carburant 2 dans lequel le carburant est aspiré par une pompe 3 qui refoule dans un réformeur 4 de type connu en soi. A ce réformeur est associé un brûleur 5 servant à apporter la chaleur nécessaire au reformage et alimenté à partir du réservoir 2. L'hydrogène produit dans le réformeur 4 est introduit dans un échangeur H2/air 6 où il est refroidi à une température prédéterminée de 60 C par exemple, puis il est envoyé à la pile 1 à travers un régulateur de débit 7. De préférence, l'hydrogène en excès est recyclé à partir de la pile 1 vers le brûleur 5 et l'échangeur 6 à travers une canalisation 8. L'air nécessaire à la réaction chimique dans la pile 1 est aspiré de l'extérieur (à l'avant du véhicule V) à travers un filtre à air 9 par un compresseur 10 et refroidi dans un échangeur air/air 11 avant d'être introduit dans la pile 1. La vapeur d'eau résultant de la réaction électrochimique dans la pile 1 est introduite dans un séparateur 12 qui produit de l'air, de la vapeur d'eau et de l'eau distillée. L'air et la vapeur d'eau sont conduits dans un condenseur 13 par des canalisations respectives 14 et 15. Le condenseur 13 est situé à l'avant du véhicule et comporte une sortie d'eau 13a et une purge 13b par laquelle l'air peut s'échapper vers l'atmosphère. Un ventilateur 16 peut équiper le condenseur 13. La phase liquide sortie du séparateur 2 est introduite dans un circuit primaire de circulation d'eau distillée se divisant en deux branches dont l'une comporte les canalisations 17a et 17b entre lesquelles est connecté un aérotherme 18 de type classique formant un échangeur eau/air et pouvant servir au chauffage de l'habitacle du véhicule. Un ventilateur 19 peut équiper cet aérotherme. La seconde branche du circuit primaire de circulation d'eau comprend les canalisations 20a et 20b entre lesquelles est inséré un échangeur eau/frigorigène 21 servant à évacuer les calories excédentaires à partir du circuit primaire de refroidissement d'eau distillée vers un circuit secondaire du dispositif de gestion thermique, ce circuit secondaire véhiculant un fluide frigorigène tel que le fréon par exemple. La répartition des débits dans les deux branches 17a, 17b et 20a, 20b du circuit primaire est réalisée grâce à un régulateur 22 à trois voies. Les deux branches du circuit primaire aboutissent à une jonction 23 à laquelle est également raccordée la sortie d'eau 13a du condenseur 13 et l'entrée d'une pompe de circulation 24 chargée de renvoyer l'eau vers la pile 1 à travers une canalisation 25. Le circuit secondaire de circulation de liquide frigorigène indiqué par la référence générale 26 est conçu non seulement pour évacuer les calories en excès du circuit primaire de circulation d'eau, mais également pour gérer thermiquement une pluralité d'autres unités fonctionnelles du véhicule automobile. Dans le mode de réalisation représenté, ces unités sont l'habitacle (non référencé sur la figure) et des moyens d'échange thermique 27,28 et 29 dont sont respectivement pourvus une ou plusieurs batteries, un groupe de composants électroniques et le moteur de traction électrique du véhicule V. Les moyens d'échange thermique 27,28 et 29 sont parcourus par le fluide frigorigène. Lorsque le circuit 26 constitue une boucle de climatisation,. le fluide frigorigène à haute pression refoulée par le compresseur 30 traverse le condenseur 34 où il passe de la phase gazeuse à la phase liquide. La condensation dans le condenseur 34 est suivie d'une détente iso-enthalpique dans le détendeur 38 dans lequel le fluide frigorigène passe de l'état liquide à l'état de mélange liquide-gaz sous basse pression. Pendant l'évaporation dans l'évaporateur 31, le fluide absorbe l'énergie calorique de l'air qui le traverse pour climatiser l'habitacle, la vanne 32 étant fermée. Pour débrancher la climatisation, la vanne 32 est ouverte et l'évaporateur 31 est court-circuité. La vanne 33 qui agit en clapet anti-retour empêche le fluide à circuler à contresens dans l'évaporateur. Dans le cas d'un fonctionnement en pompe à chaleur, le sens d'écoulement du fluide frigorigène est inversé et ainsi les rôles de l'évaporateur 31 et du condenseur 34 appelé dans ce cas respectivement échangeur d'habitacle et échangeur externe. L'évaporateur 31 servant en générateur de calories (échangeur d'habitacle) peut alors être traversé par de l'air réchauffé envoyé dans l'habitacle en venant ainsi compléter le travail de l'aérotherme 18. Le fluide frigorigène à haute pression refoulé par le compresseur 30 parvient à l'échangeur d'habitacle 31 où il va évacuer la chaleur récupérée pendant l'évaporation et la compression. Selon les besoins et après détente dans les détendeurs 37 et 38, le fluide à l'état biphasique traverse ou ne traverse pas l'échangeur externe 34 (selon que la vanne 35 est fermée ou ouverte). Il est à noter que la nature des unités branchées dans le circuit secondaire 26 peut être différente de celle des unités décrites. On peut également en prévoir moins ou davantage selon le choix du concepteur. On vient de voir que l'évaporateur 31 peut également jouer le rôle d'un échangeur thermique cédant des calories à l'habitacle du véhicule V. Dans certains cas, pour éviter les problèmes liés à une baisse de performances dans le fonctionnement alterné en climatisation ou en chauffage, notamment par condensation sur les parois extérieures de l'évaporateur 31, on peut éventuellement, selon une variante de l'invention, prévoir un échangeur de chaleur supplémentaire (non représenté) pouvant, par des électrovannes appropriées, être branché dans le circuit secondaire 26, lorsque ce dernier fonctionne en pompe à chaleur. On peut désormais constater que le dispositif de gestion selon l'invention assure les fonctions essentielles d'échange thermique que l'on peut rencontrer dans un véhicule automobile et ne se borne pas à la gestion thermique de la seule pile à combustible combinée ou non à une fonction de chauffage de l'habitacle. Il est ainsi particulièrement approprié pour équiper un véhicule automobile à traction électrique. La commutation entre le fonctionnement en climatisation ou en pompe à chaleur du circuit secondaire est obtenue par des électrovannes distinctes, ce qui offre des possibilités étendues de modulation et de réglage de la gestion thermique. La figure 1 illustre le fonctionnement en climatisation (fonctionnement"été") et la figure 2, le fonctionnement en pompe à chaleur (fonctionnement"hiver"). L'échangeur d'habitacle 31 est ici également équipé des électrovannes 32 et 33, cependant qu'il est aussi associé côté moyenne pression à un détendeur thermostatique 44 et du côté opposé à deux électrovannes 45 et 46, qui permettent de le connecter sélectivement à la haute pression (vanne 45) régnant du côté refoulement du compresseur 30 ou à la basse pression (vanne 46) régnant du côté aspiration du compresseur 30. L'échangeur externe 34, pour sa part, est équipé d'un détendeur isoenthalpique 47 côté moyenne pression et du côté opposé de deux électrovannes 48 et 49 permettant de connecter cet échangeur sélectivement à la haute pression (vanne 48) et à la basse pression (vanne 49). Enfin, chacune des unités 21 et 27 à 29 est associée à deux électrovannes, respectivement 50-51,52-53, 54-55 et 56-57 permettant sélectivement de connecter ces unités à la haute ou à la basse pression. Dans le cas du fonctionnement"été" (figure 1), les électrovannes 45 et 49 sont fermées et les électrovannes 46 et 48 sont ouvertes. Le fluide frigorigène à haute pression sortant du compresseur 30 fait alors fonctionner l'échangeur externe 34 en condenseur en faisant passer le fluide frigorigène de la phase gazeuse à la phase liquide. Cette condensation est suivie d'une détente iso-enthalpique dans le détendeur 47 pendant laquelle le fluide passe de l'état liquide à l'état de mélange liquide-gaz sous moyenne pression. Par temps chaud, l'échangeur d'habitacle 31 sert d'évaporateur pour alimenter l'habitacle en air froid. Dans ce cas, l'électrovanne 32 est fermée. Le détendeur thermostatique 44 permet alors de ramener le fluide frigorigène à la basse pression tout en équilibrant son fonctionnement avec le reste du circuit. Dans le cas où on n'a pas besoin de refroidir l'habitacle, l'échangeur 31 est mis en court-circuit, l'électrovanne 33 étant fermée et l'électrovanne 32 étant ouverte. Le sens de circulation du fluide frigorigène dans les unités 21 et 27 à 29 peut être sélectionné par commande des électrovannes correspondantes 50 à 57 de sorte que l'on peut, au choix, refroidir ou réchauffer chaque unité individuellement. Si le refroidissement est sélectionné, les détendeurs thermostatiques 40 à 43 permettent une commande individuelle de débit dans chacune des unités afin que le fluide frigorigène puisse être complètement évaporé. Dans le cas d'un fonctionnement"hiver" (figure 2), les électrovannes 45 et 49 sont ouvertes et les électrovannes 46 et 48 sont fermées. Il en résulte une inversion des rôles des échangeurs 31 et 34. L'air soufflé à travers l'échangeur d'habitacle 31 se réchauffe et vient compléter le travail de l'aérotherme 18. En effet, le fluide frigorigène à haute pression sortant du compresseur 30 est dirigé vers l'échangeur d'habitacle 31 où il va céder la chaleur récupérée de la phase d'évaporation et de compression. Par ailleurs, après une première détente de la haute pression à la moyenne pression par le détendeur 44, le fluide, alors biphasique, est réparti dans l'échangeur externe 34 et les unités 21 et 27 à 29 en fonction de leur branchement sélectif à l'aide des vannes 50 à 57. En particulier, dans le cas d'un démarrage à froid, l'eau du circuit primaire peut être préchauffée par le fluide frigorigène auquel cas l'échangeur 21 doit se trouver dans la partie haute pression du circuit secondaire 26 en fonctionnant comme condenseur, par commande des électrovannes 50 et 51. REVENDICATIONS 1. Dispositif de gestion thermique d'une pluralité d'échangeurs (31,34) insérés dans un circuit (26) comportant un compresseur (30) et dans lequel est amené à circuler un fluide frigorigène, caractérisé en ce que lesdits échangeurs (31, 34) sont d'un côté connectés entre eux par l'intermédiaire de détendeurs respectifs (44,47) et du côté opposé connectés sélectivement aux côtés"aspiration"et "refoulement"dudit compresseur (30) par l'intermédiaire d'une paire de vannes (45, 46 ; 48,49). 2. Procédé de gestion thermique d'un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour faire fonctionner un desdits échangeurs (34) en condenseur, on ferme ladite vanne (49) associée audit échangeur (34) et connectée audit côté"aspiration"dudit compresseur (30) et on ouvre ladite vanne (48) associée audit échangeur (34) et connectée audit côté"refoulement"dudit compresseur (30). 3. Procédé de gestion thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour faire fonctionner un desdits échangeurs (31) en évaporateur, on ferme ladite vanne (45) associée audit échangeur (31) et on ouvre ladite vanne (46) associée audit échangeur (31) et connectée audit côté"aspiration"dudit compresseur (30).