Brevet FR2928867A1 — publié le 20090925

DEMANDE DE BREVET B07-4263FR FZ/EHE Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Dispositif et procédé de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, en particulier un véhicule électrique Invention de : Robert YU Gérard OLIVIER Dispositif et procédé de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, en particulier un véhicule automobile La présente invention concerne le chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, en particulier un véhicule équipé d'une motorisation électrique, tel qu'un véhicule hybride ou électrique. Le chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile nécessite la consommation d'une énergie importante. Dans le cas d'un véhicule automobile équipé d'un moteur thermique à combustion interne, on utilise en général une partie de la chaleur de combustion du moteur thermique pour chauffer l'air dirigé dans l'habitacle du véhicule. L'énergie calorifique dégagée lors de la combustion du carburant au sein des cylindres du moteur thermique est telle que l'air dédié au chauffage de l'habitacle peut être rapidement chauffé et amené à une température convenable pour chauffer l'habitacle du véhicule. La demande de brevet WO 2007/114309 (Toyota) décrit un dispositif permettant de stocker la chaleur latente de l'eau grâce à des matériaux à changement de phase. Le matériau de stockage de la chaleur latente retient la chaleur latente dans un état super refroidi et la relâche en annulant mécaniquement l'état super refroidi grâce à la génération d'un champ électromagnétique à l'aide d'un générateur externe. Cependant, la quantité d'énergie stockée pour une masse ou un volume donné reste relativement faible étant donné la quantité importante d'énergie nécessaire pour assurer le chauffage de l'habitacle d'un véhicule automobile. Sur un véhicule électrique, il n'y a pas de combustion de carburant et donc pas de dégagement d'énergie calorifique lié à une combustion. La chaleur dégagée par les éléments de traction tel que le moteur électrique n'est pas suffisante pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule, et l'utilisation de l'énergie stockée dans les batteries pour le chauffage est également impossible, sous peine d'avoir une autonomie de conduite d'autant plus réduite. En effet, l'énergie stockée dans la batterie d'un véhicule automobile n'est équivalente qu'à 20% de l'énergie accessible dans un véhicule comprenant un moteur à combustion interne. Cette faible quantité d'énergie stockée est le principal obstacle de développement du véhicule électrique. Selon des modes de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un procédé et un dispositif de chauffage permettant de stocker une quantité d'énergie calorifique suffisante pour chauffer l'habitacle d'un véhicule automobile, en particulier un véhicule électrique. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur entre un système de chauffage du fluide caloporteur et un radiateur de chauffage. Selon une caractéristique générale de cet aspect de l'invention, le système de chauffage comprend des moyens de stockage thermique agencés de façon à contenir un milieu de chauffage à l'état liquide à une première température inférieure à la température d'ébullition dudit milieu et à maintenir ledit milieu de chauffage dans son état liquide à une deuxième température supérieure à ladite température d'ébullition et à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et des moyens de chauffage aptes à chauffer ledit milieu de chauffage de ladite première température à la deuxième température. Le milieu de chauffage, par exemple de l'eau, restant à l'état liquide, on obtient un stockage thermique de haute densité. Selon un mode de réalisation, les moyens de stockage thermique comprennent un réservoir hermétique et adiabatique dont le volume interne est supérieur au volume dudit milieu de chauffage à l'état liquide à ladite première température, et une partie du circuit de circulation du fluide caloporteur traverse le réservoir. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent un élément résistif au moins partiellement situé à l'intérieur des moyens de stockage thermique et dont la valeur de la résistance électrique augmente avec sa température. Selon un autre mode de réalisation, l'élément résistif comporte un matériau choisi de manière à conférer une grande valeur de résistance à ladite deuxième température afin d'arrêter le chauffage dudit milieu de chauffage à ladite deuxième température. Ceci permet d'éviter une surchauffe du milieu de chauffage dans le réservoir Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de chauffage comprend en outre deux vannes pilotées aptes à être sélectivement ouvertes ou fermées placées sur le circuit de circulation du fluide caloporteur au voisinage de chaque extrémité des moyens de stockage thermique. Selon un autre mode de réalisation, le circuit de circulation comporte en outre une branche de dérivation équipée d'une vanne de contrôle du débit de fluide dans le circuit de circulation du fluide caloporteur. Selon un autre mode de réalisation, le milieu de chauffage comporte de l'eau pure, de l'Ethylène Glycol, ou un mélange des deux. Ce dispositif peut être installé sur un véhicule automobile équipé d'une motorisation électrique, que ce véhicule soit un véhicule hybride ou totalement électrique. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un chauffage d'un fluide caloporteur en un endroit de chauffage d'un circuit de circulation du fluide caloporteur et une restitution de chaleur par le fluide caloporteur en un autre endroit du circuit de circulation. Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, le chauffage du fluide caloporteur comprend un chauffage d'un milieu de chauffage à l'état liquide thermiquement couplé au fluide caloporteur audit endroit de chauffage entre une première température inférieure à la température d'ébullition dudit milieu et une deuxième température supérieure à ladite température d'ébullition et à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ledit milieu de chauffage étant maintenu dans son état liquide à ladite deuxième température. Selon un mode de mise en oeuvre, on chauffe le fluide caloporteur à l'endroit de chauffage par l'intermédiaire du milieu de chauffage tout en empêchant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de circulation puis on laisse s'échapper le fluide caloporteur ainsi chauffé dans le circuit de circulation jusqu'à ce que la pression soit à l'équilibre dans tout le circuit de circulation avant de laisser librement circuler le fluide caloporteur dans le circuit de circulation. Selon un autre mode de mise en oeuvre, on chauffe le fluide caloporteur à l'endroit de chauffage par l'intermédiaire du milieu de chauffage tout en autorisant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de circulation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention, et d'un mode de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif de stockage thermique avec le circuit de circulation du fluide caloporteur, selon l'invention ; - la figure 2 représente un mode de mise en oeuvre du procédé de chauffage de l'habitacle du véhicule ; - la figure 3 représente un autre mode de mise en oeuvre du procédé de chauffage de l'habitacle du véhicule avec la vanne de contrôle du débit du fluide; - les figures 4 et 5 représentent deux modes de mise en oeuvre du procédé de d'un habitacle de véhicule selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté de manière schématique un circuit de circulation d'un fluide caloporteur 16 entre un système de chauffage du fluide caloporteur 1 et un radiateur de chauffage 11. Le milieu de chauffage à l'état liquide 18 est stocké à une première température dans un moyen de stockage thermique 2 qui peut être un réservoir hermétique et adiabatique. Ce réservoir contient également un petit volume d'air 17 permettant de compenser la dilation thermique du milieu de chauffage. Un moyen de chauffage qui peut être un élément résistif 3 est situé au moins partiellement à l'intérieur du réservoir 2, et voit la valeur de sa résistance augmentée avec la température. Le dispositif de chauffage comprend en outre des moyens permettant d'augmenter la température du milieu de chauffage dans le réservoir 2 sans que le circuit de circulation du fluide caloporteur 16 ne soit en conditions de température et de pressions élevées. Ces moyens comportent deux vannes 6 et 7, et un capteur de température 10. Le circuit de circulation du fluide caloporteur 16 comprend une pompe 13 induisant la circulation du fluide et un vase d'expansion 12. Le réservoir 2 comprend également une soupape de sécurité 8, un bouchon bas 4 et un bouchon haut 5, ces deux derniers étant composés d'une matière thermiquement isolante et prévus pour fermer le réservoir 2. Le moyen stockage thermique 2 est suffisamment solide pour tenir la pression du milieu de chauffage à l'état liquide. Le chauffage est effectué à l'aide d'un réseau électrique lors de l'arrêt du véhicule automobile. Lorsque la température du milieu de chauffage à l'état liquide augmente par le chauffage de la résistance électrique, le milieu atteint sa température d'ébullition à pression atmosphérique. Dès l'apparition de bulles dans le réservoir 2, la pression du réservoir 2 augmente, empêchant de ce fait la poursuite de l'ébullition du milieu de chauffage dans le réservoir 2. Au fur et à mesure de l'augmentation de la température, la pression continue à augmenter ce qui permet ainsi de conserver le milieu de chauffage à l'état liquide tout en ayant une température importante dans le réservoir 2 et ainsi un stockage thermique de haute densité. Ces augmentations de température et de pression sont ralenties et s'arrêtent complètement lorsque le milieu de chauffage atteint une deuxième température, supérieure à la première, qui est sa température de consigne. En effet, l'élément résistif est constitué d'un matériau choisi de manière à conférer une grande valeur de résistance à ladite deuxième température afin d'arrêter le chauffage du milieu de chauffage à ladite deuxième température, ce qui évite automatiquement la surchauffe et la surpression du milieu de chauffage dans le réservoir 2. Une fois le véhicule démarré, la chaleur stockée par le milieu de chauffage dans le réservoir 2 est évacuée par un échangeur 9 relié à un radiateur de chauffage 11 par le circuit de circulation du fluide caloporteur 16. Ceci est illustré sur la figure 2. Sur cette figure, le fluide caloporteur circule librement dans le circuit de circulation du fluide caloporteur 16 grâce au fonctionnement d'une pompe 13, lorsque les deux vannes pilotées 6 et 7 placées sur le circuit de circulation du fluide caloporteur 16 au voisinage des moyens de stockage thermique 2 sont ouvertes. Une branche de dérivation 15 peut être rajoutée afin de permettre le contrôle du débit du fluide caloporteur dans l'échangeur 9 lorsque la vanne de contrôle de débit du fluide 14 est ouverte, et ceci tout en maintenant un débit maximum dans le radiateur 11. Sur la figure 3, la branche de dérivation 15 n'est pas activée, la vanne de contrôle de débit 14 du fluide caloporteur dans son circuit de circulation étant fermée. Les figures 4 et 5 présentent deux variantes d'un procédé de chauffage de l'habitacle du véhicule. Sur la figure 4, la vanne pilotée 6 est tout d'abord (étape 40) fermée tandis que la vanne pilotée 7 est ouverte (étape 41). Le milieu de chauffage contenu dans le moyen de stockage thermique 2 est chauffé à l'aide de l'élément résistif 3 alimenté par le réseau électrique jusqu'à ladite première température où le fluide caloporteur contenu dans l'échangeur 9 commence à entrer en ébullition (100°C à 120°C suivant la composition du fluide caloporteur). Cette température peut être contrôlée par le capteur de température 10. Lorsque l'échangeur 9 contient une petite quantité de vapeur, la vanne 7 est fermée (étape 42) pour éviter que le reste du fluide caloporteur contenu dans le reste du circuit de circulation 16 ne s'évapore. On continue à chauffer le milieu de chauffage jusqu'à ladite deuxième température qui est la température de consigne (120°C à 150°C, voire 200°C suivant la composition du liquide et la pression). Le chauffage est alors arrêté et le véhicule est prêt à partir. Si l'on veut chauffer l'habitacle du véhicule automobile lors de l'utilisation du véhicule automobile, la vanne 7 est alors ouverte (étape 43) doucement afin de libérer le fluide caloporteur contenu dans l'échangeur 9 vers le reste du circuit de circulation du fluide caloporteur 16, et ainsi équilibrer la pression et la température dans le circuit de circulation 16. Une fois le fluide caloporteur à l'équilibre de pression et de température la vanne 6 est ouverte (étape 44) et la pompe 13 est mise en fonctionnement (étape 45) afin de faire circuler le fluide caloporteur dans tout le circuit et d'extraire la chaleur emmagasinée dans le milieu de chauffage contenu dans le moyen de stockage thermique 2 lors du passage du fluide dans l'échangeur, et de libérer l'énergie calorifique vers l'habitacle du véhicule automobile grâce au radiateur de chauffage 11. Sur la figure 5, les deux vannes pilotées 6 et 7 placées sur le circuit de circulation du fluide caloporteur 16 au voisinage de chaque extrémité des moyens de stockage thermique 2 sont ouvertes (étape 50) lors du chauffage du milieu de chauffage à l'arrêt du véhicule, laissant le fluide caloporteur librement circuler dans son circuit de circulation 16 jusqu'au début de l'ébullition du fluide caloporteur dans l'échangeur. Ceci afin de permettre de chauffer un maximum du fluide caloporteur avant le départ du véhicule automobile. Si l'on veut chauffer l'habitacle du véhicule automobile lors de l'utilisation du véhicule automobile, il suffit alors de mettre la pompe 13 en fonctionnement (étape 51) afin d'induire une circulation active du fluide caloporteur dans le circuit de circulation 16 étant donné que le fluide caloporteur est cette fois déjà à l'équilibre de température et de pression. Si le réservoir 2 fonctionne à une pression de 5 bars, le dispositif de chauffage stocke 50% de chaleur en plus qu'un système de stockage de chaleur classique. Et la quantité de chaleur est doublée si le dispositif fonctionne à une pression de 15 bars. A ce jour, le circuit de climatisation d'un véhicule automobile fonctionne déjà à cette dernière pression, et le réservoir de carburant à l'état gazeux fonctionne à une pression supérieure à l00 bars, ce qui permet d'envisager des dispositifs de chauffage d'habitacle avec des capacités calorifiques bien plus importantes. Par ailleurs, un dispositif de stockage thermique selon l'invention peut être installé sur un véhicule thermique conventionnel pour la réduction de consommation et des émissions lors du démarrage à froid du moteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur (16) entre un système de chauffage du fluide caloporteur (1) et un radiateur de chauffage (11), caractérisé par le fait que le système de chauffage comprend des moyens de stockage thermique (2) agencés de façon à contenir un milieu de chauffage à l'état liquide à une première température inférieure à la température d'ébullition dudit milieu et à maintenir ledit milieu de chauffage dans son état liquide à une deuxième température supérieure à ladite température d'ébullition et à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et des moyens de chauffage aptes à chauffer ledit milieu de chauffage de ladite première température à la deuxième température. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de stockage thermique (2) comprennent un réservoir hermétique et adiabatique dont le volume interne est supérieur au volume dudit milieu de chauffage à l'état liquide à ladite première température, et une partie du circuit de circulation du fluide caloporteur traverse le réservoir. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de chauffage comprennent un élément résistif (3) au moins partiellement situé à l'intérieur des moyens de stockage thermique (2) et dont la valeur de la résistance électrique augmente avec sa température. 5 10 15 20 2530 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'élément résistif comporte un matériau choisi de manière à conférer une grande valeur de résistance à ladite deuxième température afin d'arrêter le chauffage dudit milieu de chauffage à ladite deuxième température. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre deux vannes pilotées (6 et 7) aptes à être sélectivement ouvertes ou fermées placées sur le circuit de circulation du fluide caloporteur (16) au voisinage de chaque extrémité des moyens de stockage thermique (2). 6. Dispositif selon les revendications 1 à 5, dans lequel le circuit de circulation comporte en outre une branche de dérivation (15) équipée d'une vanne (14) de contrôle du débit de fluide dans le circuit de circulation du fluide caloporteur (16). 7. Dispositif selon les revendications 1 à 6, dans lequel le milieu de chauffage comporte de l'eau pure, de l'Ethylène Glycol, ou un mélange des deux. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, installé sur un véhicule automobile équipé d'une motorisation électrique. 9. Procédé de chauffage d'un habitacle de véhicule automobile, comprenant un chauffage d'un fluide caloporteur en un endroit de chauffage d'un circuit de circulation du fluide caloporteur (16) et une restitution de chaleur par le fluide caloporteur en un autre endroit du circuit de circulation (16), caractérisé par le fait que le chauffage du fluide caloporteur comprend un chauffage d'un milieu de chauffage à l'état liquide (18) thermiquement couplé au fluide caloporteur audit endroit de chauffage entre une 12 première température inférieure à la température d'ébullition dudit milieu et une deuxième température supérieure à ladite température d'ébullition et à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ledit milieu de chauffage (18) étant maintenu dans son état liquide à ladite deuxième température. 10.Procédé selon la revendication 9, dans lequel on chauffe le fluide caloporteur à l'endroit de chauffage par l'intermédiaire du milieu de chauffage (18) tout en empêchant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de circulation (16) puis on laisse s'échapper le fluide caloporteur ainsi chauffé dans le circuit de circulation (16) jusqu'à ce que la pression soit à l'équilibre dans tout le circuit de circulation (16) avant de laisser librement circuler le fluide caloporteur dans le circuit de circulation (16). 11.Procédé selon la revendication 9, dans lequel on chauffe le fluide caloporteur à l'endroit de chauffage par l'intermédiaire du milieu de chauffage (18) tout en autorisant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit de circulation (16).