Brevet FR2875590A1 — publié le 20060324

Système de refroidissement à basse température d'un équipe-ment, notamment d'un équipement de véhicule automobile, et échangeurs de chaleur associés L'invention concerne un système de refroidissement à basse température d'au moins un équipement, notamment un équipement de véhicule automobile, comprenant au moins une première (4) et une deuxième (4') boucles de circulation de fluide caloporteur sur lesquelles sont montés un échangeur de chaleur à basse température (60) et au moins un premier (104) et un second (106) échangeur d'équipement, respectivement prévus sur chacune des boucles. Les véhicules à moteur actuels comportent un nombre de plus en plus élevé d'équipements qui échangent de la chaleur avec leur milieu extérieur. Il arrive que certains de ces équipements doivent être réchauffés, par exemple le réchauffeur de carburant. Toutefois, la plus grande partie de ces équipe- ments doivent être refroidis. C'est le cas, en particulier, du condenseur qui fait partie du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile, mais également du radiateur de refroidissement d'huile et du radiateur de refroidissement de l'air de suralimentation. De plus en plus souvent, également, on refroidit les gaz d'échappement afin de diminuer la pollution. Certains de ces équipements, comme le radiateur de refroidissement d'huile ou le radiateur de refroidissement des gaz d'échappement, ne nécessitent pas d'être refroidis à une basse température. Ils peuvent donc être placés sans inconvénient sur le circuit de refroidissement du moteur thermique du véhicule dans lequel circule un fluide caloporteur dont la température est généralement comprise entre 85 C et 100 C. Cependant, d'autres équipements doivent fonctionner à une température aussi basse que possible afin d'améliorer leur rendement. C'est le cas en particulier du condenseur du circuit de climatisation et du refroidisseur d'air de suralimentation. C'est la raison pour laquelle il est prévu d'équiper les véhicules actuellement connus d'un circuit de refroidissement à basse température dans lequel circule un fluide caloporteur à une température inférieure à celle du circuit à haute température. Le condenseur du circuit de climatisation ou le refroidisseur d'air de suralimentation peuvent ainsi être refroidis plus efficacement jusqu'à une température plus basse. Les échangeurs de gaz d'échappement sont d'ailleurs destinés à être soumis au même contraintes en raison des exigences de 15 plus en plus forte en matière de dépollution. Toutefois, dans les véhicules actuellement connus, le circuit de refroidissement à basse température est équipé d'un échangeur de chaleur à basse température qui dispose d'une seule tubulure d'entrée et d'une seule tubulure de sortie, la circulation du fluide caloporteur s'effectuant en une ou plusieurs passes. L'échangeur de chaleur à basse température ne délivre qu'un seul niveau de température et le fluide à refroidir, par exemple l'air du refroidisseur d'air de suralimentation, l'est selon un seul niveau d'échange thermique. Sur les véhicules actuellement connus, le fluide frigorigène est condensé par l'air ambiant, mais il est possible, en utilisant un circuit à basse température, de le condenser avec le même fluide caloporteur que le refroidissement du moteur. Le refroidissement de ces fluides est de ce fait fréquemment insuffisant pour garantir un abaissement de température optimum. Par exemple, la température de l'air de suralimentation est trop élevée vers l'admission sur les points critiques en cas de forte charge du moteur ou bien la 2875590 3 condensation du fluide frigorigène est insuffisante, ce qui se traduit par des performances dégradées du circuit de climatisation. La présente invention a pour objet un système de refroidissement à basse température d'au moins un équipement de véhicule automobile qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait le premier échangeur de chaleur d'équipement (104) est traversé par un premier débit (Q1) de fluide caloporteur et le second échangeur de chaleur d'équipement (106) est traversé par un second débit (Q2) de fluide caloporteur, le premier débit (Q1) étant supérieur au second débit (Q2). Grâce à cette caractéristique, le fluide à refroidir est refroidi selon au moins deux niveaux d'échange thermique. Bien entendu, il peut également être refroidi selon plus de deux niveaux d'échange thermique. Les deux échangeurs d'équipement sont indépendants. Autrement dit, ils ne définissent pas un même échangeur présentant une surface d'échange divisée en une première section d'échange et une seconde section d'échange, traversées par des débits différents. La somme des débits de fluide caloporteur entrant dans les échangeurs d'équipement est, par exemple, égale au débit sortant du radiateur de refroidissement. Lesdits échangeurs d'équipement sont traversés en série par le fluide à traiter, ledit fluide à traiter sortant du premier échangeur d'équipement pour rentrer dans le second échangeur d'équipement par l'intermédiaire de conduits d'écoulement. On entend par conduit d'écoulement tout type de conduits à l'exclusion de composants formant réservoir de filtration et de déshydratation. Ce système de refroidissement s'applique avantageusement à des condenseurs de circuit de climatisation fonctionnant en série vis-àvis du fluide frigorigène à traiter. L'échangeur de chaleur à basse température peut ne délivrer qu'un seul niveau de température. Dans ce cas, il comporte une tubulure de sortie unique. Toutefois, dans un mode de réalisation préférée, l'échangeur de chaleur à basse température comporte au moins une première et une seconde tubulure de sortie du fluide caloporteur, la première tubulure étant raccordée au premier échangeur de chaleur d'équipement, la seconde tubulure de sortie du fluide caloporteur étant raccordée au second échangeur de chaleur d'équipement, le fluide caloporteur sortant de l'échangeur de chaleur à basse température par la première tubulure étant à une température supérieure à celle du fluide sortant de l'échangeur de chaleur à basse température par la seconde tubulure. Grâce à cette caractéristique, la température du fluide caloporteur est plus basse dans le second échangeur de chaleur d'équipement, ce qui permet de refroidir encore davantage le fluide qui traverse cet échangeur. Dans une réalisation particulière, l'échangeur de chaleur à basse température comporte une multiplicité de passes de circulation de fluide parcourues successivement par le fluide caloporteur, la première tubulure étant disposée en amont de la seconde tubulure par rapport à la circulation du fluide caloporteur dans les passes successives. De cette manière, le fluide caloporteur prélevé par la première tubulure est à une température supérieure au fluide caloporteur prélevé par la seconde tubulure. Bien entendu, il est possible de prévoir plus de deux tubulures de sortie. On peut, par exemple, prévoir une troisième tubulure de sortie située en aval de la deuxième tubulure de manière à prélever du fluide à une température encore inférieure. Avantageusement, les débits vont en décroissant. En d'autres termes, le débit prélevé par la première tubulure est plus élevé que le débit prélevé par la seconde tubulure qui est lui-même plus élevé que le débit prélevé par la troisième tubulure, etc. On peut, par exemple, prévoir des pertes de charges croissantes afin d'arriver à ce résultat. Des caractéristiques complémentaires ou alternatives de 10 l'invention sont énumérées ci-après: - la première et la seconde boucle de refroidissement présentent une partie commune en aval des échangeurs d'équipement et ladite partie commune comporte une pompe de circulation; les boucles de circulation sont montéee en dérivation entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement du moteur thermique du véhicule automobile; - les échangeurs d'équipement sont des refroidisseurs d'air de suralimentation fonctionnant en série vis-à-vis de l'air de suralimentation à traiter; - les échangeurs d'équipement sont des condenseurs faisant partie d'un circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile, comme déjà évoqué plus haut; D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: - la figure 1 illustre la gestion de l'énergie thermique dégagée par un moteur de véhicule automobile au moyen d'un système comportant une boucle à haute température et deux boucles à basse température; - la figure 2 représente un premier exemple de circulation d'un système de refroidissement à basse température indépendant conforme à l'invention; - la figure 3 représente un deuxième exemple de réalisation d'un système de refroidissement à basse température indépendant conforme à l'invention; - la figure 4 représente un système de refroidissement 10 conforme à l'invention monté en dérivation aux bornes du circuit à haute température du moteur thermique. La figure 1 est une vue d'ensemble d'un système de gestion de l'énergie thermique dégagée par un moteur 10 de véhicule automobile, qui comprend une boucle à haute température, désignée par la référence générale 2 et deux boucles à basse température désignées par les références générales 4, 4', les boucles 2 et 4,4' étant indépendantes. La boucle à haute température 2 comporte le moteur 10, une pompe de circulation 12 pour faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit, un thermostat ou une vanne thermostatique (non représentée) et un radiateur à haute température 18 qui est le radiateur principal du véhicule. La boucle à haute température comporte également une branche de chauffage 22 sur laquelle est montée un aérotherme 24 utilisé pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. Par ailleurs, des équipements qui ne nécessitent pas d'être refroidis jusqu'à une température très basse, par exemple un radiateur d'huile 34 ou un refroidisseur des gaz d'échappement 38 sont montés sur une branche 32. Les boucles à basse température 4, 4' comprennent une pompe de circulation, non représenté, et un échangeur d'équipement 104, 106, par exemple un condenseur d'un circuit de climatisation ou un refroidisseur d'air de suralimentation. Elles sont chacune reliées au même échangeur de chaleur 60 à basse température (ici un radiateur de refroidissement). Dans chaque boucle, les pompes et les échangeurs 60 et 104,106 sont montés en série. Le débit de fluide caloporteur qui circule dans la boucle à haute température 2 est environ dix fois plus important que le débit qui circule dans les boucles à basse température 4,4'. A titre d'exemple, le débit qui circule dans le radiateur à haute température 18 peut être de 5000 à 10 000 litres par heure, tandis que le débit qui circule dans le radiateur à basse température 60 est compris entre 0 et 1000 litres/heure. On a représenté sur la figure 2 un premier mode de réalisation d'un système de refroidissement à basse température conforme à l'invention. Le radiateur à basse température 60 comporte une boîte collectrice d'entrée 72 et une boîte collectrice de sortie 74. Une tubulure d'entrée 76 est raccordée à la boîte collectrice d'entrée 72 et une tubulure de sortie 78 est raccordée à la boîte collectrice de sortie 74. Un faisceau de tubes 80, généralement plan, est disposé entre les boîtes collectrices d'entrée 72 et de sortie 74. La boîte collectrice d'entrée 72 est divisée en deux par une cloison transversale 82, et, de la même manière, la boîte collectrice de sortie 74 est divisée en deux par une cloison transversale 84. On délimite ainsi trois passes 86, 88 et 90 pour la circulation du fluide caloporteur. Après son entrée dans la boîte collectrice 72, le fluide caloporteur parcourt d'abord la passe 86, comme schématisé par les flèches 92, puis la passe 88 comme schématisé par la flèche 94 et enfin la passe 90 comme schématisé par la flèche 96. Le système de refroidissement comporte également un premier et un second échangeur d'équipement 104, 106, par exemple un refroidisseur d'air de suralimentation ou un condenseur de circuit de climatisation. Le premier échangeur de chaleur 104 permet le passage d'un débit de fluide Ql supérieure au débit Q2 passant dans le second échangeur 106. Les boucles de circulation de fluide comprennent une branche 108 commune, situé en aval des échangeurs d'équipement dans laquelle le fluide caloporteur circule dans le sens défini par la flèche 110 sous l'impulsion d'une pompe de circulation 112, par exemple une pompe électrique. Les boucles de circulation de fluide comprennent également deux branches 114 et 116, en amont des échangeurs d'équipement, dans lesquelles le fluide circule dans le sens défini par les flèches 118. Comme schématisé par les flèches 120 et 122, le fluide à refroidir, par exemple l'air du refroidisseur d'air de suralimentation ou le fluide frigorigène du circuit de climatisation parcourt d'abord le premier échangeur de chaleur 104 puis le second échangeur de chaleur 106. Ainsi, le fluide à refroidir est refroidi selon deux niveaux d'échange de chaleur. Le débit Q1 du fluide caloporteur qui circule dans le premier échangeur de chaleur 104 étant supérieur au débit Q2 qui circule dans le second échangeur de chaleur 106, on peut traiter le fluide traversant en série les deux échangeurs selon deux étages différents. On a représenté sur la figure 3 un deuxième exemple de réalisation d'un système de refroidissement conforme à l'invention. Dans cet exemple, le radiateur à basse tempéra- ture 60 comporte deux tubulures de sortie, à savoir une tubulure 78, comme précédemment, et une deuxième tubulure référencée 132. La tubulure 132 prélève le fluide caloporteur au niveau de la première passe de circulation de fluide (flèches 92), tandis que la seconde tubulure 78 prélève le fluide au niveau de la dernière passe de circulation de fluide (flèche 96). Ainsi, le fluide caloporteur qui n'a traversé qu'une seule passe de l'échangeur à basse température 60 ressort par la tubulure de sortie 132 à une température supérieure à celle du fluide caloporteur qui a traversé successivement les trois passes de l'échangeur 60 et qui ressort par la tubulure 78. Dans cet exemple, le radiateur de refroidissement à basse température 60 délivre donc deux niveaux de température. Le fluide du premier niveau de température pénètre dans le premier échangeur de chaleur 104 par une canalisation 134, tandis que le fluide du deuxième niveau de température (plus basse) pénètre dans le second échangeur de chaleur 106 par une canalisation 136. La répartition des pertes de charge du circuit, notamment des tubulures de sortie 78 et 132 est telle que le débit Q1 qui traverse le premier échangeur 104 est supérieur au débit Q2 qui traverse la second échangeur 106. Un système de ce type peut permettre d'amener le fluide à refroidir à une température bien plus basse qu'un système ne délivrant qu'un seul niveau de température. A titre d'exemple, le fluide caloporteur ressort de la première passe à une température comprise entre 40 C et 60 C. Après la deuxième passe 94, sa température est comprise entre 30 C et 50 C et enfin, après la troisième passe 90, sa température descend à environ 20 C à 40 C. Le fluide caloporteur qui pénètre dans le premier échangeur de chaleur 104 a donc une température moyenne de 50 C environ, tandis que le fluide qui pénètre dans le second échangeur de chaleur 106 a une température de 30 C environ. Ces valeurs sont indicatives et fonction de la température ambiante. Le fluide à refroidir cède la plus grande partie de sa chaleur dans la premier échangeur de chaleur 104 avant d'être mis en relation d'échange thermique avec un fluide caloporteur à la température beaucoup plus basse qui permet d'abaisser sa température de sortie. Ce système de refroidissement s'applique avantageusement à un condenseur de circuit de climatisation parce qu'il permet, dans le 2875590 10 premier échangeur de chaleur 104, d'effectuer la condensation du fluide frigorigène et d'assurer un sous-refroidissement de ce fluide dans le second échangeur de chaleur 106. On a représenté sur la figure 4 un autre mode de réalisation d'un système de refroidissement conforme à l'invention. Dans ce système, le radiateur de refroidissement à basse température 60 comporte quatre passes. En effet, la boîte collec- trice d'entrée 72 comporte deux cloisons transversales de séparation 142 et 146, tandis que la boîte collectrice de sortie 74 comporte une seule cloison de séparation 144. Les cloisons de séparation 142, 144 et 146 déterminent donc quatre allers et retour du fluide caloporteur dans les tubes de l'échangeur à basse température 60. Une tubulure de sortie 141 prélève le fluide après son passage dans la troisième passe. Ce fluide est amené, comme dans l'exemple précédent, au premier échangeur de chaleur 104 par une canalisation 134 de la première boucle. Une tubulure de sortie 143 prélève le fluide caloporteur après son passage dans la quatrième et dernière passe de l'échangeur de chaleur à basse température 60. Ce fluide est amené par une canalisation 144 de la seconde boucle au second échangeur de chaleur 106. Ainsi, comme précédemment, le fluide qui traverse le second échangeur de chaleur 106 est à une température inférieure à celle du fluide qui traverse le premier échange de chaleur 104. Par ailleurs, contrairement aux exemples précédents, les boucles de circulation de fluide ne sont pas indépendantes, mais elles sont montées en dérivation aux bornes du circuit à haute température 2. Une canalisation 150 peut prélever le fluide directement à la sortie du moteur. Une canalisation 152 est raccordée à l'entrée du moteur du véhicule. Ainsi, dans cet exemple de réalisation, la température du fluide est plus élevée que dans les cas précédents. Le fluide caloporteur pénètre dans la boîte collectrice d'entrée à une température de 90 C environ. Il ressort par la tubulure de sortie 141 à une température de 60 C environ et par la tubulure de sortie 143 à une température de 40 C environ. On constate, en conséquence, que, malgré une température d'entrée élevée, le fluide caloporteur peut être refroidi jusqu'à une température relativement basse. Revendications 1 - Système de refroidissement à basse température d'au moins un équipement, notamment un équipement de véhicule automobile, comprenant au moins une première (4) et une deuxième (4') boucles de circulation de fluide caloporteur sur lesquelles sont montés un échangeur de chaleur à basse température (60) et au moins un premier (104) et un second (106) échangeur d'équipement, respectivement prévus sur chacune des boucles, le premier échangeur de chaleur d'équipement (104) étant traversé par un premier débit (Q1) de fluide caloporteur, le second échangeur de chaleur d'équipement (106) étant traversé par un second débit (Q2) de fluide caloporteur, le premier débit (Q1) étant supérieur au second débit (Q2). 2 - Système de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur à basse température (60) comporte au moins une première et une seconde tubulures de sortie (78, 132, 141, 143) du fluide caloporteur, la première tubulure étant raccordée au premier échangeur de chaleur (104), la seconde tubulure étant raccordée au second échangeur de chaleur (106), le fluide caloporteur sortant de l'échangeur à basse température (60) par la première tubulure de sortie étant à une température supérieure à celle du fluide caloporteur sortant de l'échangeur de chaleur à basse température par la seconde tubulure de sortie. 3 - Système de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur à basse température (60) comporte une multiplicité de passes de circulation de fluide (86, 88, 90) parcourues successivement par le fluide caloporteur, la première tubulure étant disposée en amont de la seconde tubulure par rapport à la circulation du fluide caloporteur dans les passes (86, 88, 90). 4 - Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la seconde boucle de refroidissement présentent une partie commune (108) en aval des échangeurs d'équipement et ladite partie commune (4) comporte une pompe de circulation (58). - Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les boucles de circulation à basse température (4, 4') sont montées en dérivation entre l'entrée et la sortie du circuit de refroidissement (2) du moteur thermique du véhicule automobile. 6 - Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les échangeurs d'équipement (104, 106) sont des refroidisseurs d'air de suralimentation, l'air de suralimentation circulant en série dans lesdits échangeurs. 7 - Système de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les échangeurs d'équipement (104,106) sont des condenseurs faisant partie du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile, le fluide du circuit de climatisation circulant en série dans lesdits échangeurs.