Brevet FR2910121A1 — publié le 20080620

L'invention se rapporte au domaine des échangeurs de chaleur, notamment pour véhicules automobiles. Les véhicules automobiles rnodernes comprennent, en plus du moteur thermique, de nombreux équipements qui échangent de la chaleur avec un milieu extérieur, soit pour être refroidis, soit au contraire pour être réchauffés. A titre d'exemple, on peut citer le condenseur du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule, le refroidisseur d'air de suralimentation ou encore le radiateur de chauffage de l'habitacle. C'est pourquoi ces véhicules sont généralement équipés de deux circuits, à savoir un circuit à haute température qui est utilisé pour le refroidissement du moteur thermique et des équipements dont la température est la plus élevée, et un circuit de refroidissement à basse température qui est utilisé pour le refroidissement des équipements dont la température est plus basse, comme, par exemple, le condenseur du circuit de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile. Chacun de ces circuits est muni d'un radiateur de refroidissement pour l'évacuation de la chaleur. Dans les véhicules connus, la surface d'échange du radiateur de la boucle à haute température et la surface d'échange du radiateur de la boucle à basse température sont fixes. En outre, le radiateur à haute température est utilisé exclusivement pour le refroidissement des équipements du circuit à haute température, tandis que le radiateur à basse température est utilisé exclusivement pour le refroidissement et/ou le réchauffage des équipements du circuit à basse température. Or, dans certaines conditions de charge du moteur, en particulier à faible charge, il n'est pas nécessaire de refroidir le moteur thermique. C'est pourquoi le liquide de refroidissement du moteur circule par une canalisation de dérivation qui contourne le radiateur à haute température de telle sorte que la capacité de refroidissement de ce dernier n'est pas utilisée. Il y a donc une perte de capacité de refroidissement. II est connu, notamment du document FR 2 844 041, un module d'échange de chaleur comportant des moyens de répartition de surface qui permettent de scinder, de manière modulable, la surface d'échange de chaleur en une section d'échange de chaleur à haute température utilisée pour le refroidissement du circuit à haute température et une section d'échange de chaleur à basse température utilisée pour le refroidissement du circuit à basse température. Les moyens de répartition de surface sont constitués par 2910121 2 des moyens de partition réglables intégrés dans la boîte collectrice, par exemple des cloisons escamotables. Toutefois, un tel module d'échange de chaleur comporte un certain nombre 5 d'inconvénients et notamment un encombrement important au niveau des boites collectrices comportant les moyens de partition de surfaces, des difficultés pour l'obtention d'une étanchéité parfaite au niveau de ces mêmes moyens de partition ainsi que des coûts de fabrication importants. 10 La présente demande vise à améliorer la situation. Elle propose à cet effet un échangeur comprenant au moins une première, une deuxième et une troisième parties d'échanges de chaleur, situées sensiblement dans un même plan et dans lequel le faisceau permet une circulation de fluide indépendante dans chacune des parties d'échange de chaleur. 15 Un tel échangeur de chaleur est particulièrement avantageux en ce qu'il offre la possibilité de moduler, en fonction des besoins en refroidissement des équipements de chaque circuit haute température et basse température, la surface d'échange de chaleur nécessaire tout en gardant un encombrement minimal, les moyens de répartition du 20 fluide n'étant pas intégré dans les boites collectrices. L'invention vise également un système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur de véhicule automobile. 25 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus avant à la lecture de la description qui suit, à titre illustratif et non limitatif, des figures des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement un système de gestion de l'énergie 30 thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile conforme à la présente invention ; la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation ; et 2910121 3 la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation. 5 Comme illustré à la figure 1, le système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile comprend un circuit à haute température 2 muni, par exemple, d'une canalisation d'entrée de moteur 6 raccordée au moteur thermique 8 du véhicule et d'une canalisation de sortie de moteur 10 raccordée à une vanne à quatre voies 12. Une pompe 14 mécanique ou électrique fait circuler un 10 fluide de refroidissement caloporteur à travers le bloc moteur, comme schématisé par les flèches 15. Le circuit de refroidissement à haute température comprend également une canalisation de chauffage 16 sur laquelle est monté un aérotherme 18. La pompe de circulation 14 permet également de faire circuler le fluide caloporteur dans l'aérotherme 18. 15 A partir de la vanne à quatre voies 12, le fluide caloporteur peut encore emprunter une canalisation 20 de radiateur à haute température raccordée à un échangeur de chaleur 22 conforme à la présente invention et détaillé plus loin. L'échangeur de chaleur 22 est traversé par le fluide caloporteur. Enfin, une canalisation de dérivation ou canalisation 20 de court-circuit 24 permet au fluide caloporteur de retourner vers le moteur 8 sans avoir traversé l'échangeur de chaleur 22, comme schématisé par la flèche 25. La vanne à quatre voies 12 comporte une voie d'entrée désignée par la référence 12-1 et trois voies de sortie, respectivement une voie 12-2 raccordée à la canalisation de 25 chauffage 16, une voie 12-3 raccordée à la canalisation 20 de radiateur à haute température et une voie 12-4 raccordée à la canalisation de court-circuit 24. Le système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur thermique de véhicule automobile conforme à l'invention comprend encore un circuit de 30 refroidissement secondaire ou basse température 4 muni, par exemple, d'une canalisation de radiateur à basse température 28 sur laquelle est montée une pompe de circulation à basse température 30 électrique et un ou plusieurs échangeurs thermiques 32-1 ou 32-2. Dans l'exemple représenté, on a figuré deux échangeurs thermiques 32-1 et 32-2 destiné à refroidir ou éventuellement à réchauffer des équipements du véhicule. 2910121 4 Les échangeurs thermiques 32 pourront être, par exemple, un condenseur d'un circuit de climatisation et un refroidisseur d'air de suralimentation. Ils sont refroidis par échange de chaleur avec le fluide caloporteur à basse température qui circule dans le circuit de refroidissement à basse température 4. Le fluide à basse température est, lui aussi, 5 refroidi dans l'échangeur de chaleur 22. Le système de gestion de l'énergie thermique développée comporte en outre au moins un premier moyen de répartition 40 pour attribuer le fluide provenant du circuit haute température et/ou basse température dans une section dite attribuable ou troisième 10 partie 222 de l'échangeur de chaleur 22. Le premier moyen de répartition 40 est prévu à l'extérieur du l'échangeur de chaleur 22. Un deuxième moyen de répartition 42 permet quant à lui de diriger ou d'attribuer le fluide sortant de la troisième partie 222 de l'échangeur de chaleur 22 vers la boucle haute 15 température 2 ou la boucle basse température 4. Ici aussi, le deuxième moyen de répartition 42 est prévu à l'extérieur du l'échangeur de chaleur 22. Un mode de réalisation particulier de l'invention propose de n'avoir qu'un seul des deux moyens de répartition 40 ou 42. 20 Un troisième moyen de répartition 44 pourra également être utilisée pour rediriger tout ou partie du fluide provenant de la troisième partie 222 de l'échangeur de chaleur 22 vers une deuxième partie 223 de l'échangeur de chaleur 22, ce troisième moyen de répartition permet donc une liaison entre la troisième partie et la deuxième partie. Ainsi, le 25 fluide de refroidissement sera refroidi à un niveau de température plus bas par son passage dans la deuxième partie 223 de l'échangeur de chaleur 22. Les moyens de répartition 40 et 42 pourront être actionnés ou non en même temps. De même, les moyens de répartitions 40 et 44 pourront être coordonnés en fonction des 30 besoins en refroidissement des circuits à haute température 2 et à basse température 4. Ces moyens de répartition 40 ; 42 et 44 sont ici des vannes actionnées par des moyens de commande (non représentés) qui reçoivent des informations à partir de capteurs (non représentés) disposés en des endroits appropriés du circuit de refroidissement à haute 2910121 5 température 2 et du circuit de refroidissement à basse température 4. Ces informations peuvent être, par exemple, la température d'eau en sortie de moteur 8 dans la canalisation 10, le régime de rotation du moteur, la puissance thermique rejetée par le moteur dans le circuit de refroidissement à haute température. Les moyens de 5 commande peuvent prendre en compte une ou plusieurs de ces informations. La répartition du fluide provenant du circuit haute température 3 et du circuit basse température 4 dans la partie attribuable 222 de l'échangeur de chaleur 22 est pilotée en fonction des besoins de refroidissement des circuits à haute température 2 et à basse 10 température 4. Ainsi, lorsque le moteur 8 fonctionne à faible charge ou à charge partielle, ces besoins en refroidissement sont peu importants et la plus grande partie du fluide de refroidissement à haute température circule par la canalisation de court-circuit 24. Dans 15 ces conditions, la surface d'échange de la section attribuable 222 de l'échangeur de chaleur 22 peut être récupérée pour le refroidissement des équipements à basse température schématisés par l'échangeur thermique 32. On améliore ainsi leurs performances, par exemple les performances thermiques du circuit de climatisation, en proposant un condenseur dont la capacité de refroidissement est plus élevée. 20 Lorsque le moteur fonctionne à forte charge, il est, au contraire, nécessaire de faire circuler une quantité importante de fluide caloporteur à travers le bloc moteur pour évacuer la puissance thermique rejetée. Dans ces conditions, la surface d'échange de la section attribuable 222 de l'échangeur de chaleur 22 est utilisée pour le refroidissement 25 du moteur. La figure 2 représente un échangeur de chaleur conforme à l'invention. Cet échangeur de chaleur 22 comporte un faisceau d'échange de chaleur composé, par exemple, d'un empilement de tubes et d'ailettes. Les tubes (non représentés) sont tous identiques et 30 sont parallèles entre eux. II y circule un fluide de refroidissement qui échange de la chaleur avec un milieu extérieur, par exemple l'air atmosphérique. Les tubes du module d'échange de chaleur 22 sont raccordés, à chacune de leurs deux extrémités, à des boîtes collectrices, à savoir respectivement une boîte collectrice 2910121 6 d'entrée pour le fluide caloporteur et une boîte de sortie pour la sortie du fluide caloporteur. La surface d'échange de chaleur est, dans ce mode de réalisation, composée de trois 5 sections distinctes : une section d'échange de chaleur à haute température ou première partie 221, une section d'échange de chaleur à basse température ou deuxième partie 223 et une section dite attribuable ou troisième partie 222 disposée entre les sections 221 et 223. 10 La première partie 221 est dédiée au refroidissement du fluide circulant dans le circuit haute température 2 ou première boucle d'échange de chaleur. La deuxième partie est dédiée au refroidissement du fluide circulant dans le circuit de refroidissement secondaire 4 ou deuxième boucle d'échange de chaleur. La troisième partie est dédiée, selon les besoins, au refroidissement de la première ou de la deuxième boucle 15 d'échange de chaleur. On remarquera que le fluide circulant dans les première 2 et deuxième 4 boucles d'échange de chaleur est un même fluide, par exemple, de l'eau additionnée de glycol. 20 Les sections 221 ; 222 et 223 sont fixes. En d'autres termes, elles comportent un nombre déterminé et fixe de tubes d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur 22. Selon le mode de réalisation illustré, les tubes de la première partie 221 débouchent à une extrémité dans un collecteur à haute température d'entrée 51 et à l'autre extrémité 25 dans un collecteur à haute température de sortie 61. Les tubes de la troisième partie 222 sont raccordés, à leur extrémité d'entrée, à un collecteur d'entrée attribuable 52 et, à leur extrémité de sortie, à un collecteur attribuable 62. Les première, deuxième et troisièmes parties comportent chacune au moins une entrée et au moins une sortie pour le fluide. 30 2910121 7 Ainsi, les collecteurs d'entrées 51 et 52 comportent respectivement des tubulures 100 et 104 pour l'entrée dudit fluide et les collecteurs de sorties 61 et 62 comportent respectivement des tubulures 102 et 106 pour la sortie dudit fluide. 5 Le fluide de refroidissement à haute température pénètre dans le collecteur d'entrée 51 et ressort du collecteur de sortie 61, après avoir traversé la section d'échange de chaleur à haute température 221. De la même manière, le fluide de refroidissement à haute ou basse température pénètre dans le collecteur d'entrée attribuable 52 et ressort du collecteur de sortie attribuable après avoir traversé la section d'échange attribuable 10 222. Les tubes de deuxième partie 223 sont reliés respectivement à un collecteur 53 et à un collecteur intermédiaire 63.. Une cloison de partition 112 permet de décomposer le collecteur 53 en deux parties à savoir une partie 53-1 pour l'entrée du fluide de 15 refroidissement dans la seconde partie et une partie 53-2 pour la sortie de ce même fluide. Ainsi, le fluide de refroidissement a une circulation dite en deux passes dans la deuxième partie 223. Autrement dit, le fluide de refroidissement à basse température pénètre dans le collecteur d'entrée 53-1 par l'intermédiaire d'une tubulure d'entrée 108 puis circule dans la première section d'échange de chaleur ou première passe 223-1 de 20 la seconde partie 223. Le fluide de refroidissement effectue ensuite demi-tour dans le collecteur intermédiaire 63 et circule dans la deuxième section d'échange de chaleur ou deuxième passe 223-2 de la seconde partie 223. Enfin, le fluide ressort de la boîte collectrice de sortie 53-2 par l'intermédiaire d'une tubulure de sortie du fluide de refroidissement 110. 25 Il est à noter que le collecteur intermédiaire 63 comporte une seconde entrée de fluide refroidissement 114. Dans cet exemple, la seconde entrée se situe au niveau de la deuxième section d'échange de chaleur 223-2 de la seconde partie 223. Cette seconde entrée 114 permet de faire circuler, si nécessaire, le fluide de refroidissement sortant de 30 la troisième partie 222 dans la deuxième section d'échange de chaleur 223-2 de la seconde partie 223 pour obtenir le niveau de température désiré du fluide de refroidissement. Ainsi, la première 223-1 et la seconde 223-2 passes comportent chacune une entrée pour le fluide de refroidissement. 2910121 8 L'échangeur de chaleur 22 selon l'invention comporte deux boites collectrices 5 et 6 dans lesquelles débouchent les extrémités respectives de chaque tube. Les boites collectrices 5 et 6 sont munies de cloisons de partitions définissant respectivement les collecteurs 51 ; 52 ; 53-1 ; 53-2 ; 61 ; 62 ; et 63. 5 La figure 3 représente un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La surface d'échange de chaleur est, ici, composée de 5 sections distinctes à savoir : une section d'échange de chaleur à haute température ou première partie 221, une section d'échange de chaleur à basse température ou deuxième partie 10 223 et une section dite attribuable ou troisième partie 222 disposée entre les sections 221 et 223. Ces trois sections sont identiques à celles décrites dans le mode de réalisation de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, l'échangeur de chaleur comporte en outre des sections 15 d'échange de chaleur supplémentaires dont une section dite de sous-refroidissement 224 et une section dite annexe 225. Ici aussi, les différentes sections d'échange de chaleur 221 ; 222 ; 223 ; 224 et 225 sont fixes. La partie 224 de sous refroidissement est dédiée au fluide de refroidissement circulant 20 dans la deuxième boucle d'échange de chaleur 4. Cette partie comporte elle aussi une entrée et une sortie pour le fluide de refroidissement. La section de sous refroidissement 224 comporte un collecteur d'entrée 54 munie d'une tubulure 116 et un collecteur de sortie 64 munie d'une tubulure 118. Cette zone d'échange 25 de chaleur permet d'abaisser la température de tout ou partie du fluide de refroidissement sortant de la deuxième zone d'échange de chaleur 223. Grâce à cette caractéristique, le fluide de refroidissement provenant de la boucle basse température peut être refroidi selon au moins deux niveaux d'échange thermique. On pourra alors refroidir plus efficacement des échangeurs thermiques montés sur la boucle basse température. Bien entendu, le 30 fluide de refroidissement peut également être refroidi selon plus de deux niveaux d'échange thermique en prévoyant des passes supplémentaires ainsi que des sorties correspondantes. 2910121 9 La partie dédiée au sous refroidissement 224 et la partie dédiée au refroidissement de la deuxième boucle d'échange de chaleur 4 communiquent entre elles. Cette communication peut être obtenue par divers moyens de communication. Les moyens de communication pourront notamment être situés à l'extérieur des boites collectrices et 5 dans ce cas pourront être des vannes. Un autre mode de réalisation propose que cette communication soit obtenue par l'intermédiaire d'au moins un orifice de passage et de moyens de commutation dudit orifice, l'orifice de passage correspondant dans ce cas à l'entrée de la partie dédiée au sous refroidissement. Le débit du fluide de refroidissement à l'intérieur de cette section ou partie dédiée au sous 10 refroidissement sera plus faible que le débit parcourant la partie basse température 223 de l'échangeur de chaleur 22. Ce système de refroidissement peut notamment s'appliquer pour le refroidissement d'un condenseur de circuit de climatisation qui comporte un étage de condensation et un étage 15 de sous refroidissement du fluide frigorigène. L'étage de condensation sera alors refroidi par du liquide de refroidissement provenant de la deuxième zone d'échange de chaleur 223 et l'étage de sous refroidissement sera refroidi par du liquide de refroidissement provenant de la section de sous refroidissement. 20 L'échangeur de chaleur 22 comporte en outre une cinquième section d'échange de chaleur 225, dite partie annexe. Cette partie est destinée au refroidissement d'un autre fluide tel que, par exemple de l'huile de transmission ou de l'huile de boite de vitesses automatique. Les tubes de cette partie 225 sont identiques aux tubes des quatre autres parties et sont eux aussi reliés à un collecteur d'entrée 55 et à un collecteur de sortie 65. 25 Chaque collecteur comporte une tubulure pour l'entrée 120 ou la sortie 122 dudit autre fluide. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci avant, seulement à titre d'exemples, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art 30 dans le cadre des revendications ci-après. Revendications 1. Echangeur de chaleur comprenant au moins une première, une deuxième et une troisième parties d'échanges de chaleur (221 ; 222 ; 223), situées sensiblement dans un même plan, ledit échangeur permettant une circulation de fluide indépendante dans chacune desdites parties d'échange (221 ; 222 ; 223). 2. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1, dans lequel ladite première partie (221) est dédiée au refroidissement d'un fluide d'une première boucle d'échange de chaleur, ladite deuxième partie (223) est dédiée au refroidissement d'un fluide d'une deuxième boucle d'échange de chaleur, ladite troisième partie (222) étant dédiée, selon les besoins, au refroidissement de la première ou de la deuxième boucle d'échange de chaleur, et dans lequel le fluide circulant dans lesdites première (2) et deuxième boucle (4) d'échange de chaleur est un même fluide. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites première, deuxième et troisièmes parties (221 ; 222 ; 223) comportent chacune au moins une entrée (100 ; 104 ; 108 ; 114) et au moins une sortie (102 ; 106 ; 110) pour ledit fluide. 4. Echangeur selon la revendication 3, dans lequel ladite deuxième partie (223) permet une circulation dudit fluide en deux passes (223-1 ; 223-2), la première (223-1) et la seconde (223-2) passes comportant chacune une entrée (108 ; 114) pour ledit fluide. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel ledit échangeur (22) comporte en outre une autre partie (224) dédiée au sous refroidissement du fluide de refroidissement circulant dans la deuxième boucle (4) d'échange de chaleur, ladite autre partie dédiée au sous refroidissement comportant elle aussi une entrée (116) et une sortie (118). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, dans lequel ladite autre partie dédiée au sous refroidissement (224) et ladite partie (223) dédiée au refroidissement de ladite deuxième boucle (4) d'échange de chaleur communiquent par l'intermédiaire d'au moins un orifice de passage et de moyens de commutation, ledit 10 2910121 11 orifice de passage correspondant à l'entrée de ladite partie dédiée au sous refroidissement. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit 5 échangeur de chaleur comporte en outre au moins une autre partie (225) destinée au refroidissement d'un autre fluide. 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, comprenant un faisceau d'échange de chaleur composé d'un empilement de tubes et d'ailettes, lesdits tubes 10 étant identiques. 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites tubes débouchent dans des boites collectrices (5 ; 6), lesdites boites collectrices (5 ; 6) comportant au moins une entrée(100 ; 104 ; 108 ; 114 ; 116 ; 120) et au moins une 15 sortie (102 ; 106 ; 118 ; 122) pour chacune desdites parties (221 ; 222 ; 223 ; 223 ; 224 ; 225). 10. Système de gestion de l'énergie thermique développée par un moteur de véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement à haute température (2) 20 comportant un radiateur à haute température pour refroidir le moteur du véhicule et un circuit de refroidissement à basse température (4) comprenant un radiateur à basse température pour refroidir des équipements du véhicule, caractérisé en ce que lesdites radiateurs à haute et basse température font partie de l'échangeur de chaleur (22) selon l'une des revendications précédentes. 25 11. Système de gestion de l'énergie thermique selon la revendication précédente, dans lequel un premier moyen de répartition (40) est prévu à l'extérieur dudit échangeur (22) de chaleur pour attribuer ledit fluide provenant de ladite première boucle (2) d'échange de chaleur ou de ladite deuxième boucle (4) d'échange de chaleur à ladite troisième partie 30 (222). 12. Système de gestion de l'énergie selon l'une des revendications 10 ou 11, dans lequel un second moyen de répartition (42) est prévu à l'extérieur dudit échangeur de chaleur 2910121 12 pour attribuer ledit fluide sortant de ladite troisième partie (222) à ladite première boucle (2) d'échange de chaleur ou à ladite deuxième boucle (4) d'échange de chaleur. 13. Système de gestion de l'énergie selon la revendication précédente dans lequel un 5 troisième moyen de répartition (44) permet une liaison entre ladite troisième partie (222) et ladite deuxième partie (223). 14. Système de gestion de l'énergie thermique selon la revendication précédente, dans lequel lesdits moyens de répartition (40 ; 42 ; 44) sont une ou des vannes. 15. Système de gestion de l'énergie selon l'une des revendications 10 à 14, dans lequel ledit circuit de refroidissement à haute température (2) comprend un réseau principal équipé d'une pompe principale (14) pour faire circuler un fluide caloporteur entre le 15 moteur thermique (8) et ledit réseau principal comprend, en outre, une canalisation de court-circuit (24) et une canalisation de chauffage (16) comportant un aérotherme (18), et dans lequel ledit circuit de refroidissement à basse température (4) comprend un réseau secondaire incluant une pompe secondaire (30) et au moins un échangeur de 20 chaleur d'équipement (32), et le réseau principal et le réseau secondaire sont reliés par des moyens d'interconnexion qui permettent de faire circuler de manière contrôlée le fluide caloporteur entre le réseau principal et le réseau secondaire ou d'interdire cette 25 circulation, en fonction d'au moins l'état de charge du moteur thermique. 10