Brevet FR2923087A1 — publié le 20090501

La présente invention concerne un appareil d'alimentation en gaz pour pile à combustible, notamment pour véhicule automobile. Une pile à combustible doit être alimentée en oxygène sous pression, et il est connu d'utiliser à cet effet un appareil, couramment dénommé "turbomachine", comprenant un système de compression formé par une roue à ailettes et une volute. La roue à ailettes est entraînée en rotation par un moteur électrique, l'appareil incluant également des organes électroniques (cartes électroniques, électronique de puissance) placés dans un boîtier. Afin de réduire l'impact énergétique d'un tel appareil sur le système de pile à combustible et d'obtenir le rendement requis, il est nécessaire d'entraîner la roue à ailettes à haute vitesse. Pour ce faire, l'appareil inclut des paliers à air supportant l'arbre du moteur en rotation et un système de butée à air de maintien axial de cet arbre à l'encontre de la poussée exercée axialement sur cet arbre par l'air sous pression généré par le système de compression. Ces paliers permettent d'atteindre les hautes vitesses de rotation tout en préservant la fiabilité de l'appareil et la propreté du gaz car le système de guidage/support de l'arbre ne nécessite pas de lubrifiant du type graisses ou huiles. II existe des appareils de ce type mais aucun ne s'avère parfaitement adapté à une intégration sous le capot d'un véhicule automobile, compte tenu des contraintes d'encombrement, de fiabilité et de tenue à l'environnement que requiert spécifiquement cette application. De plus, compte tenu de la haute vitesse de rotation du moteur, un tel appareil subit un échauffement important, et doit donc être refroidi, à défaut de quoi des organes qu'il comprend, en particulier les paliers et butées à air précités, le moteur ainsi que les organes électroniques, pourraient être endommagés ou auraient des durées de service réduites. Un objectif principal de l'invention est par conséquent de fournir un appareil d'alimentation en gaz pour une pile à combustible, notamment destiné à un véhicule automobile, qui soit parfaitement adapté à une intégration sous le capot d'un véhicule automobile, en termes d'encombrement, de fiabilité et de tenue à l'environnement que requiert spécifiquement cette application. Un autre objectif de l'invention est de fournir un appareil dont le refroidissement puisse être réalisé dans les meilleures conditions, nonobstant l'encombrement requis et la température relativement élevée de l'environnement dans lequel cet appareil est destiné à fonctionner. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un appareil ayant un niveau sonore de fonctionnement également adapté à une utilisation sur un véhicule automobile électrique. Un objectif supplémentaire de l'invention est de fournir un appareil réduisant le risque de perturbations électromagnétiques et/ou améliorant la compatibilité électromagnétique de l'appareil dans l'environnement électrique sévère que constitue celui d'un véhicule électrique à pile à combustible. L'appareil concerné comprend, de manière connue en soi, un ensemble de compression de gaz, comprenant une roue à ailettes, un moteur û de préférence électrique - d'entraînement de cette roue à ailettes, contenu dans un carter, et des organes électroniques logés dans un boîtier, la roue à ailettes étant guidée ou supportée par un ensemble de paliers à air radiaux et de butées à air axiales. Selon l'invention, ledit boîtier est placé à proximité immédiate du moteur de l'appareil de telle sorte que des échanges thermiques soient possibles entre ce boîtier et le carter du moteur. Les objectifs précités sont atteints par l'appareil selon l'invention. En particulier, la proximité du boîtier et du moteur permet d'utiliser le ou les systèmes de refroidissement du moteur pour refroidir les organes électroniques de l'appareil. En outre, le risque de perturbations électromagnétiques est réduit du fait de cette proximité, et la compatibilité électromagnétique de l'appareil avec le système de pile à combustible et le véhicule électrique est améliorée, ce qui favorise l'utilisation de cet appareil dans l'environnement perturbé qui est celui d'un système pile à combustible pour véhicule électrique. De préférence, le boîtier présente une forme allongée, et sa dimension longitudinale s'étend parallèlement à l'axe longitudinal du moteur. Les échanges thermiques entre le système de refroidissement du moteur et ledit boîtier sont ainsi maximalisés. De préférence, le carter du moteur forme des extensions faisant corps avec lui, se prolongeant à l'intérieur du boîtier. Ces extensions permettent de réaliser un refroidissement des organes électroniques contenus dans le boîtier. Elles s'étendent avantageusement entre des composants de l'électronique de puissance du moteur, notamment entre les semi-conducteurs que comprend cette électronique de puissance. Lesdites extensions peuvent notamment comprendre un ou plusieurs conduits internes de circulation d'un fluide de refroidissement, servant au refroidissement du carter du moteur. Ce fluide de refroidissement peut notamment être de l'eau glycolée. De préférence, l'appareil comprend un ventilateur opérant une circulation d'air de refroidissement au travers du moteur, et une entrée d'air de refroidissement disposée de manière telle que cet air de refroidissement traverse ledit boîtier. Cet air de refroidissement permet d'assurer un bon refroidissement des 5 composants électroniques contenus dans ce boîtier. Selon une possibilité, dans ce cas, l'entrée d'air de refroidissement est aménagée au niveau de l'une des parois du boîtier non tournée vers le carter du moteur. Selon une autre possibilité, dans ce même cas, l'appareil est logé dans un 10 caisson et l'entrée d'air de refroidissement est aménagée au niveau de l'une des parois de ce caisson située de manière distante dudit boîtier, notamment située sur un côté de l'appareil opposé à ce boîtier, l'appareil étant en outre agencé de telle sorte que l'air de refroidissement traverse le boîtier avant d'entrer dans le ventilateur. L'air de refroidissement circule ainsi autour de l'ensemble de l'appareil en plus de 15 traverser ledit boîtier. Ladite entrée d'air de refroidissement comprend avantageusement un filtre permettant d'éliminer le risque d'entrée de particules, notamment de poussières, dans le boîtier. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le ventilateur comprend, 20 du côté opposé au système de compression, une roue à ailettes montée sur une extension de l'arbre du moteur, une volute dans laquelle cette roue à ailettes est placée, et est relié à des conduits de distribution du courant d'air de refroidissement généré par cette roue à ailettes, ces conduits distribuant l'air de refroidissement à l'intérieur du carter du moteur. 25 La volute du ventilateur est avantageusement pourvue d'un interstice au niveau de son fond, autour de l'arbre du moteur, de sorte qu'une partie du courant d'air sous pression que génère le ventilateur opère, par fuite d'air par ledit interstice, un refroidissement direct d'un palier de l'arbre du moteur, que comprend le moteur à proximité de cette volute. 30 Lesdits conduits de distribution comprennent avantageusement un conduit d'acheminement de l'air de refroidissement vers le carter du moteur, une série de passages d'écoulement d'air dans l'entrefer du moteur, au niveau d'un ou plusieurs paliers de l'arbre du moteur et éventuellement au niveau d'un ou plusieurs systèmes de butée axiale que peut comprendre cet arbre, et un conduit d'évacuation de cet air 35 en sortie du carter du moteur Avantageusement, l'appareil comprend un pavillon d'entrée d'air de refroidissement dans la roue à ailettes du ventilateur, disposé coaxialement à cette roue à ailettes, ce pavillon étant placé dans un boîtier d'admission d'air de refroidissement situé entre le boîtier contenant les organes électroniques et le moteur. Ce pavillon et ce boîtier d'admission permettent de réduire fortement le bruit généré par la circulation de l'air de refroidissement. L'appareil peut comprendre un diffuseur à aubages orientables, connu en lui-même, permettant de régler l'angle du flux de gaz sortant du système de compression selon les besoins en gaz de la pile à combustible. Dans ce cas, la motorisation de ce diffuseur est avantageusement placée dans un boîtier attenant au dit boîtier d'admission d'air de refroidissement, et est donc refroidie par échange thermique avec ce boîtier. L'invention sera bien comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront, en référence aux dessins schématiques annexés, représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes de réalisation possibles de l'appareil qu'elle concerne. La figure 1 en est une vue en perspective, selon une première forme de réalisation ; la figure 2 en est une vue en coupe longitudinale passant par l'axe de l'arbre d'un moteur que comprend cet appareil ; la figure 3 est une vue en perspective d'un carter contenant ledit moteur et de conduites reliées à ce carter, destinées à véhiculer un liquide de refroidissement, et la figure 4 est une vue de l'appareil similaire à la figure 2, selon la deuxième forme de réalisation. Par simplification, les parties ou éléments d'une forme de réalisation qui se retrouvent de manière identique ou similaire dans une autre forme de réalisation seront identifiés par les mêmes références numériques et ne seront pas à nouveau décrits. Les figures 1 et 2 représentent un appareil 1 d'alimentation en gaz pour pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, comprenant un ensemble 2 de compression d'air, un moteur 3 contenu dans un carter 4 auquel sont reliées des conduites 5 destinées à véhiculer un liquide de refroidissement, un ventilateur 6 de refroidissement, des organes électroniques 7a, 7b et un boîtier 8 logeant ces organes électroniques 7a, 7b, qui est placé à proximité immédiate du moteur 3. Le système 2 de compression d'air comprend une tubulure 10 d'entrée de l'air, une roue à ailettes 11 montée sur l'arbre 12 du moteur 3, une volute 13 dans laquelle est placée la roue 11, une tubulure 14 de sortie de l'air sous pression et un diffuseur 15 à aubages orientables, actionné par une motorisation 16 au moyen d'une transmission 17. L'ensemble de ces éléments est connu et ne fait pas en lui-même l'objet de l'invention, de sorte qu'il ne sera pas décrit plus en détails. Le moteur 3 comprend, outre l'arbre 12, un rotor 20 et un stator 21, des paliers 22 du type à air et un système de butée axiale 23 à air, permettant de contenir la poussée exercée sur l'arbre 12 par la compression de l'air générée par la roue 11. Le carter 4 forme intérieurement un passage 25 de circulation d'un liquide de refroidissement, des passages 26 de circulation de l'air de refroidissement, et, comme le montrent les figures 2 et 3, trois extensions 27 faisant corps avec lui, se prolongeant à l'intérieur du boîtier 8. Le passage 25 de circulation de liquide s'étend hélicoïdalement au travers de la paroi du carter 4 et des extensions 27, coaxialement à ce carter, depuis le point de raccordement de la conduite 5 d'amenée de liquide jusqu'au point de raccordement de la conduite 5 dudit liquide. Les passages 26 de circulation d'air s'étendent au travers du carter 4, depuis la tubulure de sortie d'une volute 30 que comprend le ventilateur 6, jusqu'au niveau de la chambre contenant le rotor 20 et le stator 21, et au niveau des paliers 22 et du système de butée 23. Ces passages 26 sont alimentés par des conduits 28 d'acheminement de l'air de refroidissement vers le carter 4, et l'appareil 1 comprend un conduit (non visible sur les figures) d'évacuation de cet air en sortie du carter 4. La volute 30 est attenante à une paroi que comprend le carter 4 et est pourvue d'un interstice au niveau de son fond, autour de l'arbre 12, de sorte qu'une partie du courant d'air sous pression que génère le ventilateur 6 opère, par fuite d'air au travers dudit interstice, un refroidissement direct d'un palier 22 situé à proximité de cette volute. Les extensions 27 s'étendent entre des composants de l'électronique de puissance du moteur 3, notamment entre des semi-conducteurs de puissance 7a que comprend cette électronique de puissance, dont elles permettent le refroidissement grâce au liquide de refroidissement qui les traverse. Le ventilateur 6 est situé du côté opposé au système de compression 2. II comprend, outre la volute 30, une tubulure 31 d'entrée d'air, équipée d'un pavillon 32, et une roue à ailettes 33 montée dans l'entrée de la volute 30, sur une extension de l'arbre 12. Comme cela est visible sur la figure 2, le pavillon 32 est placé dans un boîtier 35 d'admission d'air situé entre le boîtier 8 et le moteur 3, ce boîtier 35 étant relié au boîtier 8 par un conduit 36 d'admission d'air. Le boîtier 8 comprend, au niveau de sa paroi 8a opposée à celle attenante au carter 4, une entrée 37 d'air de refroidissement équipée d'un filtre à particules 38 éliminant le risque d'entrée de particules, notamment de poussières, dans le boîtier 8. Ce boîtier 8 présente une forme allongée, et sa dimension longitudinale s'étend parallèlement à l'axe longitudinal de l'arbre 12 du moteur 3. Outre les semi- conducteurs de puissance 7a, il contient notamment des cartes électroniques 7b. Il apparaît également sur la figure 2 que la motorisation 16 du diffuseur à aubages orientables est placée dans un boîtier 40 attenant au boîtier 35 d'admission d'air de refroidissement. Comme cela apparaît, dans l'appareil 1, le boîtier 8 est placé de telle sorte que des échanges thermiques soient possibles entre ce boîtier 8 et le carter 4 du moteur 3, et la proximité de ce boîtier et du moteur 3 permet d'utiliser les systèmes de refroidissement par liquide et air du moteur 3 pour refroidir les organes électroniques 7a, 7b de l'appareil, qu'il contient. Plus précisément, les semi-conducteurs de puissance 7a sont refroidis par les extensions 27 du carter 4, elles- mêmes refroidies par le fluide de refroidissement circulant à travers elles, et l'ensemble des composants électroniques 7a, 7b est refroidi par l'aspiration de l'air de refroidissement au travers du boîtier 8. Le risque de perturbations électromagnétiques est de plus réduit du fait de la proximité du boîtier 8 et du carter 4 du moteur 3, et la compatibilité électromagnétique de l'appareil 1 avec le système de pile à combustible et le véhicule électrique est améliorée, ce qui favorise l'utilisation de cet appareil dans l'environnement perturbé qui est celui d'un système pile à combustible pour véhicule électrique. En outre, le pavillon 32 et le boîtier 35 d'admission d'air permettent de réduire fortement le bruit généré par la circulation de l'air de refroidissement, et la motorisation 16 du diffuseur 15 à aubages orientables est refroidie par échange thermique des parois du boîtier 40 qui la contient avec le boîtier 35 d'admission d'air. La figure 4 montre un appareil 1 similaire à celui décrit plus haut en référence aux figures 1 à 3, sinon que, dans ce cas, l'appareil 1 est logé dans un caisson 45. L'appareil 1 est en outre agencé, comme précédemment, de telle sorte que l'air de refroidissement traverse ce boîtier 8 avant d'entrer dans le ventilateur 6. L'air de refroidissement circule ainsi autour de l'ensemble de l'appareil 1 en plus de traverser le boîtier 8. Il est à remarquer que, dans ce cas, la tubulure 10 d'entrée de l'air dans le système 2 de compression d'air comprend également un pavillon 46. Comme cela apparaît de ce qui précède, l'invention fournit un appareil d'alimentation en gaz pour pile à combustible, notamment pour véhicule automobile, présentant, par rapport aux appareils homologues de la technique antérieure, les avantages déterminants de réaliser un refroidissement de l'appareil dans les meilleures conditions, nonobstant l'encombrement requis et la température relativement élevée de l'environnement dans lequel cet appareil est destiné à fonctionner, à savoir le compartiment moteur d'un véhicule automobile, d'avoir un encombrement adapté à un logement dans un compartiment moteur de véhicule automobile, d'avoir un niveau sonore de fonctionnement également adapté à une utilisation sur un véhicule automobile, et de présenter un risque réduit de perturbations électromagnétiques. L'invention a été décrite ci-dessus en référence à une forme de réalisation donnée à titre de pur exemple. II va de soi qu'elle n'est pas limitée à cette forme de réalisation mais qu'elle s'étend à toutes les formes de réalisations couvertes par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1 ûAppareil (1) d'alimentation en gaz pour pile à combustible notamment pour véhicule automobile, comprenant un ensemble (2) de compression de gaz, comprenant une roue à ailettes (11), un moteur (3) û de préférence électrique û d'entraînement de cette roue à ailettes (11), contenu dans un carter (4), et des organes électroniques (7a, 7b) logés dans un boîtier (8), la roue à ailettes (11) étant guidée ou supportée par un ensemble de paliers (22) à air radiaux et de butées à air (23) axiales, caractérisé en ce que ledit boîtier (8) est placé à proximité immédiate du moteur (3) de l'appareil (1) de telle sorte que des échanges thermiques soient possibles entre ce boîtier (8) et le carter (4) du moteur (3). 2 ûAppareil (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (8) présente une forme allongée, et en ce que sa dimension longitudinale s'étend parallèlement à l'axe longitudinal du moteur (3). 3 û Appareil (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce 15 que le carter (4) du moteur (3) forme des extensions (27) faisant corps avec lui, se prolongeant à l'intérieur du boîtier (8). 4 ûAppareil (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites extensions (27) s'étendent entre des composants de l'électronique de puissance du moteur (3), notamment entre des semi-conducteurs de puissance (7a) que comprend 20 cette électronique de puissance. 5 û Appareil (1) selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites extensions (27) comprennent un ou plusieurs conduits internes (25) de circulation d'un liquide de refroidissement, servant au refroidissement du carter (4) du moteur (3). 25 6 û Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un ventilateur (6) opérant une circulation d'air de refroidissement au travers du moteur (3), et une entrée (37) d'air de refroidissement disposée de manière telle que cet air de refroidissement traverse ledit boîtier (8). 7 û Appareil (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite entrée (37) 30 d'air de refroidissement est aménagée au niveau de l'une des parois (8a) du boîtier (8) non tournée vers le carter (4) du moteur (3). 8 û Appareil (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est logé dans un caisson (45) et en ce que l'entrée d'air de refroidissement (37) est aménagée au niveau de l'une des parois (45a) de ce caisson (45) située de manière distante dudit 35 boîtier (8), notamment située sur un côté de l'appareil (1) opposé à ce boîtier (8), l'appareil étant en outre agencé de telle sorte que l'air de refroidissement traverse ce boîtier (8) avant d'entrer dans le ventilateur (6).9 ù Appareil (1) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ladite entrée d'air de refroidissement (37) comprend un filtre (38). 10 ù Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le ventilateur (6) comprend, du côté opposé au système de compression (2), une roue à ailettes (33) montée sur une extension de l'arbre (12) du moteur (3), une volute (30) dans laquelle cette roue à ailettes (33) est placée, et est relié à des conduits (26, 28) de distribution du courant d'air de refroidissement généré par cette roue à ailettes (33), ces conduits (26, 28) distribuant l'air de refroidissement à l'intérieur du carter (4) du moteur (3). 11 ùAppareil (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la volute (30) du ventilateur (6) est pourvue d'un interstice au niveau de son fond, autour de l'arbre du moteur, de sorte qu'une partie du courant d'air sous pression que génère le ventilateur opère, par fuite d'air par ledit interstice, un refroidissement direct d'un palier (22) de l'arbre (12) du moteur (3), que comprend le moteur (3) à proximité de cette volute (30). 12 ù Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits conduits de distribution comprennent un conduit (28) d'acheminement de l'air de refroidissement vers le carter (4) du moteur (3), une série de passages (26) d'écoulement d'air dans l'entrefer du moteur (3), au niveau des paliers (22) de l'arbre (12) du moteur (3) et au niveau des systèmes de butée axiale (23) que comprend cet arbre (12), et un conduit d'évacuation de cet air en sortie du carter (4) du moteur (3). 13 ù Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un pavillon (32) d'entrée d'air de refroidissement dans la roue à ailettes (33) du ventilateur (6), disposé coaxialement à cette roue à ailettes (33), ce pavillon (32) étant placé dans un boîtier (35) d'admission d'air de refroidissement situé entre le boîtier (8) contenant les organes électroniques (7a, 7b) et le moteur (3). 14 ù Appareil (1) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un diffuseur (15) à aubages orientables permettant de régler l'angle du flux de gaz sortant du système de compression (2) selon les besoins en gaz de la pile à combustible, et en ce que la motorisation (16) de ce diffuseur (15) est placée dans un boîtier (40) attenant audit boîtier (35) d'admission d'air de refroidissement, et est donc refroidie par échange thermique avec ce boîtier (35).