Brevet FR2831108A1 — publié le 20030425

La présente invention est relative à un dispositif de chauffage électromagnétique, notamment pour habitacle ou équipements de véhicule automobile, comprenant un fluide caloporteur, des moyens pour faire passer ledit fluide en contact de transfert thermique avec un organe métallique fixe chauffé, et des moyens pour établir une induction magnétique variable dans au moins une partie dudit organe, propre à y faire circuler des courants de Foucault. On a proposé d'équiper un véhicule automobile d'un dispositif de ce type, pour disposer d'une source de chauffage auxiliaire permettant, en cas de besoin, de renforcer l'action de moyens de chauffage classiques de l'habitacle du véhicule, par exemple. Ce dispositif auxiliaire fonctionne sur le principe du frein à courants de Foucault, permettant de convertir en chaleur au moins une partie de la puissance mécanique disponible sur l'arbre de sortie du moteur qui propulse le véhicule. C'est ainsi que les brevets DE 199 23 878, US 6 144 020 et FR 2 777 411 décrivent de tels dispositifs comportant un disque métallique entraîné en rotation dans un champs magnétique développé par un aimant ou un électro-aimant propre à échauffer le disque par l'effet Joule du à la circulation, dans le métal du disque, de courants de Foucault. Le disque est placé en relation de transfert thermique avec un fluide caloporteur constituant un moyen de chauffage de l'habitacle d'un véhicule, ou d'un équipement particulier tel que le moteur qui propulse le véhicule, par exemple. Le fluide caloporteur est, couramment, de l'eau. Dans ce cas le disque chauffé doit tourner dans un volume de cette eau ce qui engendre des pertes d'énergie mécanique dues à la viscosité de l'eau et donc au frottement du disque contre l'eau qui le baigne. En outre on comprend qu'un arbre d'entraînement du disque doit traverser la paroi d'une chambre délimitant le volume d'eau et donc qu'un joint d'étanchéité efficace en régime dynamique doit être monté dans cette traversée. Une telle étanchéité est difficile à assurer sur le long terme, et est donc coûteuse. On peut aussi, comme décrit dans les brevets GB 2 336 751 et US 6 117 660 faire tourner des aimants alors que la pièce à chauffer par courants de Foucault reste fixe. On résoud le problème d'étanchéité évoqué ci-dessus. Par contre, si l'on utilise des électro-aimants, l'alimentation électrique de ceux-ci doit se faire par l'intermédiaire de contacts électriques frottants, sujets à une usure mécanique qui peut les détruire à terme. La présente invention a précisément pour but de réaliser un dispositif de chauffage du type évoqué cidessus, qui soit dépourvu des inconvénients de ceux connus de la technique antérieure et qui, en particulier, ne soient pas grevés des phénomènes de frottements, d'étanchéité ou d'usure qui affectent ceux-ci. On atteint ce but de l'invention ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de chauffage électromagnétique, notamment pour habitacle ou équipements de véhicule automobile, comprenant un fluide caloporteur, des moyens pour faire passer ledit fluide en contact de transfert thermique avec un organe métallique fixe chauffé, et des moyens pour établir une induction magnétique variable dans au moins une partie dudit organe, propre à y faire circuler des courants de Foucault, ce dispositif étant remarquable en ce que lesdits moyens d'établissement de ladite induction magnétique variable comprennent a) un électro-aimant fixe définissant au moins une partie d'un circuit magnétique traversant au moins une partie dudit organe métallique fixe, b) au moins un élément en matériau magnétique complétant ledit circuit magnétique et c) des moyens pour mettre en rotation ledit élément autour dudit organe métallique et dudit électro-aimant. Comme on le verra plus loin en détail, dans ce dispositif l'échange de chaleur s'opère à partir d'un organe métallique fixe, ce qui supprime les problèmes de frottement et d'étanchéité dynamique évoqués plus haut, la partie tournante du dispositif étant simple et légère alors que sa partie fixe ne comporte qu'un seul bobinage électrique, alimenté en énergie par des contacts fixes et non frottants, donc beaucoup plus solides et fiables. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention : - le dispositif comprend une enceinte étanche enfermant l'électro-aimant et des moyens pour faire circuler le fluide caloporteur entre une entrée et une sortie de cette enceinte, au contact d'au moins ledit organe métallique, l'organe métallique est cylindrique de révolution et constitue la paroi latérale de l'enceinte, les moyens pour mettre sélectivement en rotation ledit élément en matériau magnétique comprennent une cloche cylindrique montée à rotation concentriquement et extérieurement à l'enceinte, la cloche portant l'élément sur une trajectoire proche de la périphérie de l'armature de l'électro-aimant, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la cloche porte une pluralité d'éléments en matériau magnétique, chacun de ces éléments étant de forme allongée sur un axe incliné sur l'axe de rotation de la cloche. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 1, selon le trait de coupe II de cette figure, la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, d'un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, les figures 4 et 5 sont des schémas utiles à l'explication de la circulation de courants de Foucault dans le dispositif suivant l'invention, la figure 6 est une vue analogue à celle des figures 1 et 3, d'un troisième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, la figure 7 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un quatrième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, la figure 8 est un schéma de moyens d'alimentation de l'électro-aimant du dispositif suivant l'invention, la figure 9 est un graphe de l'évolution de la puissance thermique de ce dispositif, en fonction de l'intensité du courant passant dans ce bobinage, et la figure 10 est une représentation schématique, partielle, d'encore un autre mode de réalisation du dispositif suivant l'invention. Dans la description qui va suivre de divers modes de réalisation du dispositif suivant l'invention, des références numériques identiques désignent des éléments ou organes identiques ou similaires. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où il apparaît que le dispositif de chauffage représenté comprend un électro-aimant constitué par un bobinage ou enroulement de fil électrique 1 formé sur une armature 2 en forme de bobine, réalisé en un matériau magnétique. Cet électroaimant (1,2) est fixé sur un support par une liaison 3, comme représenté. L'électro-aimant (1,2) présente un axe de symétrie X. Il est enfermé dans un organe 4 en forme de cylindre, en un métal bon conducteur électrique et thermique tel que les cuivres. Le cylindre métallique 4 s'appuie coaxialement sur la périphérie de l'armature 2 au niveau des joues 2a et 2b de celle-ci, dont il est solidaire. Sur la vue en coupe de la figure 1 on a représenté schématiquement par des flèches en trait plein la circulation du flux magnétique dans l'armature 2, quand un courant circule dans le bobinage de l'électro-aimant. Le circuit magnétique ainsi défini est fermé par un élément 51 porté par une cloche 6 en un matériau amagnétique, alors que l'élément 51 est lui réalisé bien entendu, en un matériau magnétique. La cloche 6 est coaxiale à l'électro-aimant (1,2) et portée par un arbre 7 traversant axialement l'armature 2 de cet électro-aimant et passant dans un palier 8 supportant à rotation l'arbre et la cloche. Comme représenté à la figure 2, où le trait de coupe I définit la vue en coupe de la figure 1, la cloche 6 supporte, préférentiellement, une pluralité d'éléments 5 (i de 1 à 6 dans le mode de réalisation représenté) régulièrement répartis sur la face interne de sa paroi périphérique. Un intervalle étroit est ménagé entre cette face interne et la face externe du cylindrique métallique 4. Il est alors possible d'entraîner en rotation la cloche 6, et donc les éléments 5i du circuit magnétique, autour de l'axe X, sans que la cloche ne frotte sur le cylindre métallique 4. Des flèches en trait plein schématisent, sur la figure 2, la circulation du flux magnétique dans la joue 2b de l'armature 2. Une circulation semblable, mais de sens contraire, est observée dans la joue 2a. Quand le dispositif représenté aux figures 1 et 2 est installé dans un véhicule automobile pour y constituer une source de chauffage auxiliaire, l'arbre 7 peut être constitué par tout arbre tournant monté dans le véhicule et, notamment, par l'arbre de sortie du moteur propulsant le véhicule ou par un arbre mis en rotation par cet arbre de sortie (arbre d'alternateur ou de compresseur de climatisation, par exemple). On comprend que, lorsque l'arbre 7 tourne, le cylindre métallique 4, immobile, est soumis, notamment au niveau de ses appuis sur les joues 2a, 2b de l'armature 2, à une induction magnétique d'intensité variable, du fait de la rotation des éléments 5l du circuit magnétique, cette induction magnétique variable provoquant dans l'épaisseur de la paroi de ce cylindre métallique, la circulation de courants de Foucault générateurs, par effet Joule, d'un échauffement de ce cylindre. Cet échauffement peut être mis à profit pour chauffer un fluide caloporteur propre à transporter les calories recueillies jusqu'en un point d'utilisation, par exemple dans une entrée d'air de l'habitacle de ce véhicule pour y réchauffer cet air. On a schématisé sur la figure 1 la circulation de ce fluide, de l'eau par exemple, par des flèches f en pointillé. L'eau entre dans une enceinte étanche 10 de forme torique par une entrée 11. Le cylindre métallique 4 constitue la paroi latérale de cette enceinte étanche, fixée sur un support 3. L'eau se répand dans l'enceinte 10 en empruntant un passage annulaire axial 12 voisin de l'arbre 7 puis un passage annulaire radial 13 et enfin un deuxième passage annulaire axial 14 extérieur au premier et délimité, d'une part, par la face interne du cylindre métallique 4 et, d'autre part, par la surface externe de l'enroulement 1. La circulation de l'eau dans ce deuxième passage est rendue possible par des perçages tels que ceux référencés 151 à 154, prévus dans les joues 2a, 2b de l'armature 2, au niveau du passage 14. Dans ce passage 14 l'eau se trouve en relation de transfert thermique à la fois avec le cylindre métallique 4 chauffé par des courants de Foucault et avec l'enroulement 2 qui est lui aussi le siège d'un chauffage par effet Joule, du fait du courant électrique qui passe dans cet enroulement. En dehors du passage 14, l'eau est encore réchauffée par les pertes thermiques par hystérésis de l'armature 2, notamment au niveau des joues 2a et 2b du fait que des lignes du champ électromagnétique s'y développent radialement. On notera toutefois que le chauffage de l'eau par les courants de Foucault est prépondérant dans le dispositif suivant l'invention, par rapport aux deux autres modes de chauffage précités. L'eau ainsi réchauffée ressort de l'enceinte 10 par une sortie 16 pour transporter les calories qu'elle porte dans un appareil qui les utilise, par exemple un aérotherme de chauffage de l'air de l'habitacle du véhicule propulsé par le moteur qui anime le dispositif de chauffage suivant l'invention. Il apparaît maintenant que la circulation du liquide caloporteur dans le dispositif suivant l'invention s'opère dans une enceinte à l'intérieur de laquelle ne circule aucun organe mobile, ce qui supprime toute perte d'énergie mécanique par frottement visqueux. Aucun joint d'étanchéité "dynamique" c'est-à-dire tournant, susceptible de s'user par frottement n'est donc nécessaire, ce qui renforce la sécurité de l'étanchéité de l'enceinte et donc du dispositif. Par ailleurs l'alimentation électrique de l'électro-aimant (1,2) est possible à l'aide de fils passant dans des traversées fixes de l'enceinte, donc d'étanchéité fiable. On a représenté à la figure 3 du dessin annexé un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, qui ne se distingue de celui de la figure 1 que par l'ajout d'un palier 18, par exemple un roulement, intercalé entre l'arbre 7 et l'enceinte 10, dans la partie centrale de cette enceinte torique. Ce palier permet d'améliorer l'autocentrage de la cloche 6 par rapport à l'enceinte fixe 10 et donc de réduire l'entrefer du circuit magnétique au niveau des appuis des joues 2a, 2b de l'armature 2, ce qui permet d'abaisser la réductance de ce circuit. Dans ce cas la liaison entre l'arbre 7 et le moteur qui l'entraîne en rotation est avantageusement semi-rigide. En variante, la liaison 3 pourrait présenter cette caractéristique en assurant un blocage en rotation, mais pas en mouvement radial. La figure 4 représente schématiquement le développement, dans un plan, d'une partie de la paroi périphérique interne de la cloche 6, pour faire apparaître les positions des éléments magnétiques 5l portés par cette cloche, selon un mode de réalisation de la présente invention. Les éléments 511 allongés en forme de barreaux, ont leurs axes longitudinaux inclinés sur la direction de l'axe X de la cloche 6. Comme schématisé à la figure 5, les pôles "nord" N51/N52, etc... des barreaux sont alors décalés circulairement, sur leur trajectoire, sur les positions des pôles"sud"correspondants S, 852, etc... sur la trajectoire de ces pôles. Un tel décalage favorise le couplage en permettant une circulation d'une partie du courant induit dans le cylindre métallique 4, entre deux pôles de polarités opposées, comme illustré par les lignes de courant représentées à la figure 5. Un tel couplage favorise l'échauffement du cylindre et améliore donc le rendement du dispositif suivant l'invention. On a représenté à la figure 6 un troisième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, qui se distingue de celui de la figure 1 par une caractéristique du cylindre métallique 4 constituant la paroi périphérique de l'enceinte 10. Comme représenté, autour des appuis de cette paroi 4 sur les joues 2a, 2b de l'armature 2 de l'électroaimant, cette paroi présente une surépaisseur qui favorise la diffusion de la chaleur et la circulation du courant dans le cylindre métallique 4, à partir des zones d'échauffement situées au niveau des entrefers du circuit magnétique. On a représenté partiellement à la figure 7 un autre mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, dont la cloche 6 comprend des moyens de transmission, à un autre appareil, d'une partie de la puissance mécanique qu'elle reçoit par l'arbre 7. Ces moyens de transmission peuvent être constitués, par exemple, par une courroie (non représentée), passant sur une partie 17 de la paroi latérale extérieure de la cloche 6 creusée de rainures annulaires adjacentes à section en V, pour faire de cette partie 17 l'équivalent d'une poulie du type"poly-V", par exemple. La courroie passant sur la cloche 6 peut alors servir à entraîner un autre appareil ou accessoire du véhicule : alternateur, pompe à eau, compresseur de climatisation, etc... Selon une autre caractéristique de la cloche 6 du mode de réalisation de la figure 7, celle-ci est réalisée en un matériau magnétique, et non amagnétique, et présente intérieurement et au niveau des appuis du cylindre 4 sur les joues 2a, 2b de l'armature 2, des paires de pôles saillants radialement tels que ceux repérés 18a, 18b, de manière à compléter le circuit magnétique. Une couche 19 d'un matériau amagnétique, tel qu'une matière plastique, peut être déposée sur la paroi périphérique interne de la cloche pour en effacer les aspérités et supprimer l'effet négatif de ces aspérités sur la circulation d'air dans le dispositif suivant l'invention. A la figure 8 on a représenté schématiquement des moyens de régulation du dispositif de chauffage suivant l'invention. Ceux-ci comprennent un calculateur 21 alimenté par une batterie 22, le calculateur régulant la valeur du courant I d'alimentation du bobinage 1 de l'électro-aimant (1,2) qui se trouve dans l'enceinte 10. Un capteur 20 délivre au calculateur 21 une mesure de la température du fluide caloporteur, saisie au voisinage de la sortie 16 du fluide, dans la partie haute de l'enceinte 10 (voir Fig. 6), là où la présence accidentelle d'une poche de gaz est la plus probable, en cas de dégazage incomplet de l'enceinte 10. Le calculateur reçoit aussi d'un capteur 24 un signal représentatif de la demande en matière de niveau de chauffage, émise par le conducteur du véhicule par exemple. Quand le dispositif suivant l'invention est animé par de l'énergie mécanique délivrée directement ou indirectement par le moteur du véhicule, le calculateur reçoit encore d'un capteur 23 une mesure N de la vitesse de rotation du moteur. Comme représenté par les graphes de la figure 9, la puissance de chauffe P délivrée par le dispositif suivant l'invention est une fonction croissante du courant d'alimentation I du bobinage 1 de l'électro-aimant (1,2) et de la vitesse N de rotation du moteur. Le calculateur peut réguler la puissance P fournie à un niveau donné en agissant sur le courant I. C'est ainsi que la puissance P peut être maintenue constante en diminuant I lorsque N augmente. Il est clair que le signal délivré par le capteur de température 20 peut servir aussi à des fins de sécurité. C'est ainsi qu'en cas de prélèvement excessif d'énergie sur l'arbre 7, les températures maximum supportables par le dispositif risquent d'être dépassées. Le signal délivré par le capteur 20 peut alors servir à déclencher une mise en sécurité, ou à commander une réduction du régime de rotation du moteur ou du courant I d'alimentation du bobinage de l'électro-aimant. Le dispositif suivant l'invention peut connaître diverses utilisations, par exemple comme chauffage d'appoint de l'habitacle et/ou du moteur du véhicule, notamment lors de la mise en route de celui-ci. Sur des trajets en descente ou en périodes de freinage, le dispositif peut servir à convertir en chaleur de l'énergie mécanique de freinage, la contribution du moteur au chauffage de l'habitacle du véhicule pouvant alors être moindre. Le dispositif joue alors en outre le rôle d'un frein"moteur"auxiliaire. Ce mode de fonctionnement en"récupération d'énergie" est particulièrement pertinent dans les phases de mise en action du véhicule, pendant lesquelles il est précieux de disposer de calories supplémentaires, pour l'habitacle et le moteur. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que, comme représenté à la figure 10, le cylindre métallique 6 chauffé par induction électromagnétique peut être placé dans un seul entrefer du circuit magnétique pour être traversé une fois seulement par le champ électromagnétique développé par l'électro-aimant. De même la cloche du dispositif pourrait être entraînée en rotation par un arbre tournant du véhicule autre que l'arbre de sortie du moteur, tel que par exemple un arbre à came, un arbre d'alternateur ou encore un arbre "d'équilibrage". REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électromagnétique, notamment pour habitacle ou équipements de véhicule automobile, comprenant un fluide caloporteur, des moyens pour faire passer ledit fluide en contact de transfert thermique avec un organe métallique fixe chauffé, et des moyens pour établir une induction magnétique variable dans au moins une partie dudit organe, propre à y faire circuler des courants de Foucault, caractérisé en ce que lesdits moyens d'établissement de ladite induction magnétique variable comprennent : a) un électro-aimant fixe (1,2) définissant au moins une partie d'un circuit magnétique traversant au moins une partie dudit organe métallique fixe (4), b) au moins un élément en matériau magnétique (5l) complétant ledit circuit magnétique et, c) des moyens pour mettre en rotation ledit élément (5i) autour dudit organe métallique (4) et dudit électroaimant (1,2). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (10) étanche enfermant ledit électro-aimant (1,2) et des moyens (12,13, 14, 15l) pour faire circuler ledit fluide caloporteur entre une entrée (11) et une sortie (16) de ladite enceinte (10), au contact d'au moins ledit organe métallique (4). 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe métallique (4) est cylindrique de révolution et constitue la paroi latérale de ladite enceinte (10). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour mettre sélectivement en rotation ledit élément (5i) en matériau magnétique comprennent une cloche cylindrique (6) montée à rotation concentriquement et extérieurement à ladite enceinte (10), ladite cloche (6) portant ledit élément (51) sur une trajectoire proche de la périphérie de l'armature (2) dudit électro-aimant (1,2). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cloche (6) porte une pluralité d'éléments (5l) en matériau magnétique. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que chacun desdits éléments (5l) est allongé suivant un axe incliné sur l'axe (X) de rotation de ladite cloche (6). 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) est supportée et traversée axialement par un palier central (18) dans lequel passe un arbre (7) d'entraînement en rotation de ladite cloche (6). 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ledit électroaimant (1,2) est engagé coaxialement dans ladite enceinte torique (10), ledit fluide caloporteur circulant dans ladite enceinte (10) au contact de l'armature et du bobinage dudit électro-aimant (1,2), ainsi qu'au contact de la paroi latérale métallique (4) de l'enceinte (10). 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que ladite paroi latérale métallique (4) de ladite enceinte (10) est en appui sur des joues (2a, 2b) de l'armature (2) de l'électro-aimant (1,2). 10. Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que ladite paroi métallique (4) présente une surépaisseur, à l'extérieur dudit appui. 11. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cloche est réalisée en un matériau magnétique et comporte des paires de pôles saillants (18a, 18b) agencés de manière à compléter ledit circuit magnétique. 12. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (6,17) de transmission, à un appareil accessoire, d'une partie de la puissance mécanique reçue par ladite cloche (6) pour son entraînement en rotation. 13. Dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comportent une courroie passant sur la surface périphérique extérieure de ladite cloche (6). 14. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation (20 à 23) de la puissance thermique qu'il délivre, lesdits moyens comprenant des moyens pour alimenter le bobinage (1) de l'électro-aimant (1,2) avec un courant (I) fonction de la puissance (P) demandée. 15. Dispositif conforme à la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est animé par un moteur propulsant également un véhicule automobile équipé dudit dispositif, et en ce que lesdits moyens de régulation (20 à 23) sont sensibles à la vitesse de rotation (N) dudit moteur.