Brevet FR2942442A1 — publié le 20100827

Ensemble d'une paroi et d'un équipement électrique et véhicule ferroviaire correspondant. La présente invention concerne un ensemble d'une paroi d'un véhicule ferroviaire et d'au moins un équipement électrique. Elle concerne également un véhicule ferroviaire correspondant. L'invention concerne plus particulièrement le domaine des équipements électriques de puissance embarqués dans les trains notamment les convertisseurs de puissance auxiliaires. De tels équipements comportent habituellement une pluralité de composants électriques qui nécessitent d'être refroidis pour fonctionner correctement. Ces équipements électriques comportent donc généralement un ou plusieurs échangeurs de chaleur ci-après dénommés refroidisseurs. Ces refroidisseurs sont généralement disposés dans un conduit définissant une direction de circulation principale d'un fluide de refroidissement des composants. Les équipements électriques de puissance, notamment les convertisseurs auxiliaires, sont placés sur le toit ou sous le plancher du train. Pour les convertisseurs de traction qui pilotent les moteurs, la puissance dissipée est en relation directe avec le mouvement du train. Ces convertisseurs sont donc parfois refroidis simplement par la circulation de l'air produit par le déplacement du train. On parle alors de refroidissement par � vent vitesse �. Le refroidissement par � vent vitesse � convient difficilement aux convertisseurs auxiliaires car ils doivent fournir une pleine puissance y compris à l'arrêt. Actuellement, les convertisseurs auxiliaires utilisent des ventilateurs qui poussent l'air dans des canaux de ventilation pour assurer le refroidissement par circulation d'air des composants électriques. L'utilisation de ces ventilateurs est actuellement indispensable, si l'on souhaite fonctionner à l'arrêt en pleine puissance. Cependant, la présence des ventilateurs dans ces équipements les rend plus volumineux et très bruyants. Le but de l'invention est d'offrir un équipement électrique de puissance qui soit compact et silencieux. Plus particulièrement, l'invention vise à s'affranchir de l'utilisation des ventilateurs pour le refroidissement des composants des équipements électriques de puissance embarqués dans un train ou à utiliser des ventilateurs de moindre puissance. A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble d'une paroi d'un véhicule ferroviaire et d'au moins un équipement électrique comprenant une pluralité de composants électriques disposés dans au moins un compartiment et au moins un refroidisseur disposé dans au moins un conduit définissant une direction de circulation principale d'un fluide de refroidissement des composants, caractérisé en ce que l'équipement électrique est positionné dans la paroi de sorte que la direction de circulation soit disposée verticalement. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'ensemble comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le conduit est cloisonné en une pluralité de sous-conduits séparés entre eux par des moyens d'isolation thermique et électromagnétique ; - un premier sous-conduit comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures comprises entre 50°C et 80°C ; - un deuxième sous-conduit comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures supérieures à 80°C ; - le compartiment est cloisonné en une pluralité de sous-compartiments séparés entre eux par des moyens d'isolation thermique et électromagnétique ; - un premier sous-compartiment comporte des composants électriques fonctionnant à des températures inférieures à 125 °C ; - un deuxième sous-compartiment comporte des composants électriques fonctionnant à des températures supérieures à 125°C ; et - l'équipement électrique est un convertisseur de puissance auxiliaire ; - l'équipement électrique possède une fréquence de découpe supérieure à 10 kHz. L'invention concerne également un véhicule ferroviaire comprenant des parois latérales et des cloisons transversales, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'une paroi et d'au moins un équipement électrique tel que défini ci-dessus. Suivant des modes particuliers de réalisation, le véhicule comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le fluide de refroidissement étant de l'air, le compartiment comporte à son extrémité inférieure une entrée d'air et à son extrémité supérieure une sortie d'air, l'entrée et la sortie d'air étant situées à l'intérieur du véhicule ; - le fluide de refroidissement étant de l'air, le conduit comporte à son extrémité inférieure une entrée d'air et à son extrémité supérieure une sortie d'air, l'entrée et la sortie d'air étant situées à l'extérieur du véhicule ; - le conduit comporte des moyens de déflexion de l'air placés devant la première entrée d'air et la première sortie d'air ; et - le compartiment et le conduit débouchant respectivement à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule sont adjacents et séparés par une paroi d'isolation. Ainsi, l'invention permet de pallier les inconvénients des équipements électriques actuels en fournissant un refroidissement naturel, par circulation d'air, des composants efficace même lorsque le train est à l'arrêt. La solution proposée par l'invention évite les problèmes de volume et de bruit des équipements électriques dus à l'utilisation des ventilateurs pour le refroidissement. On va maintenant décrire des exemples de réalisation de l'invention de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective de la coupe d'un véhicule ferroviaire, - la figure 2 est une vue en coupe verticale de l'équipement électrique selon l'invention, et - la figure 3 est une vue en perspective et en coupe horizontale de l'équipement électrique selon un mode de réalisation de l'invention. On a illustré sur la figure 1 un véhicule ferroviaire 2 comprenant deux parois latérales verticales 4 et 6 s'étendant parallèlement à la direction d'avancement du véhicule. Le véhicule est fermé à ses extrémités par des cloisons transversales. Un équipement électrique 8, à titre d'exemple un convertisseur auxiliaire, est positionné dans la paroi 6. Cet équipement électrique 8, représenté sur la figure 2, comprend des composants électriques 9 répartis dans un compartiment 10 et un ou plusieurs refroidisseurs 11 placés dans un conduit 12. Le conduit 12 comporte à son extrémité inférieure une première entrée d'air 14 et à son extrémité supérieure une première sortie d'air 16, la première entrée d'air 14 et la première sortie d'air 16 débouchant à l'extérieur du véhicule 2. Le compartiment 10 comporte à son extrémité inférieure une deuxième entrée d'air 18 et à son extrémité supérieure une deuxième sortie d'air 20, la deuxième entrée d'air 18 et la deuxième sortie d'air 20 étant situées à l'intérieur du véhicule 2. Selon l'invention, l'équipement électrique 8 est positionné verticalement dans la paroi 6 de sorte à définir une direction de circulation principale d'air dans le conduit 12 et le compartiment 10, verticale de bas en haut depuis l'entrée 14, 18 vers la sortie 16, 20 respectivement. La figure 3 représente un mode de réalisation de l'équipement électrique 8 selon lequel cet équipement 8 contient une pluralité de zones séparées entre elles par des moyens d'isolation thermique et électromagnétique. A titre d'exemple, l'équipement 8 contient quatre zones 30, 32, 34 et 36 séparées pas des moyens d'isolation 38 thermique et électromagnétique. Les zones 30 et 32 sont obtenues suite à un cloisonnement vertical du conduit 12 et seront appelées sous-conduits dans la suite de la description. Les zones 34 et 36 sont obtenues suite à un cloisonnement vertical du compartiment 10 et seront appelées sous-compartiments dans la suite de la description. Le premier sous-conduit 30 comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures comprises entre 50°C et 80°C. Le deuxième sous-conduit 32 comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures supérieures à 80 °C. Ainsi, les sous-conduits 30 et 32 forment respectivement un canal de convection de température moyenne et un canal de convection de température élevée, les deux canaux étant isolés thermiquement. En outre, le premier sous-compartiment 34 comporte des composants électriques sensibles aux perturbations électromagnétiques et ne supportant pas des températures supérieures à 125°C. Le deuxième sous-compartiment 36 comporte des composants électriques supportant des températures supérieures à 125°C. Ce deuxième sous-compartiment 36 constitue une zone à émission électromagnétique élevée et comporte ainsi des composants de commutation de puissance. La structure de l'équipement électrique 8 selon l'invention ayant été décrite, la suite de la description concerne le fonctionnement du procédé de refroidissement des composants électriques 9 en référence aux figures 1 et 2. Ainsi, de l'air frais de l'extérieur du train entre (flèche 40) au niveau de la première entrée d'air 14 à l'extrémité inférieure du conduit 12. Cet air refroidit les refroidisseurs 11 de l'équipement 8 situés dans le conduit 12 entraînant ainsi un refroidissement des composants 9 par un effet de conduction thermique. Au fur et à mesure qu'il se réchauffe, cet air monte en raison de la diminution de sa densité. Cet air sort (flèche 42) ensuite tiède ou chaud de la première sortie d'air 16 du conduit 12 vers l'extérieur du train. Selon un mode de réalisation de l'invention, des systèmes d'écopage ou de déflexion de l'air (non représentés) sont placés devant la première entrée d'air 14 et la première sortie d'air 16 afin de favoriser le passage de l'air dans le conduit 12 quand le train roule. En outre, de l'air frais de l'intérieur du train entre (flèche 44) au niveau de la deuxième entrée d'air 18 à l'extrémité inférieure du compartiment 10. Cet air refroidit les composants 9 de l'équipement 8 situés dans le compartiment 10. Au fur et à mesure qu'il se réchauffe, cet air monte en raison de la diminution de sa densité. Cet air sort (flèche 46) ensuite tiède ou chaud de la deuxième sortie d'air 20 du compartiment 10 vers l'intérieur du train. Cette disposition verticale de la direction de circulation d'air dans le conduit 12 et le compartiment 10 permet d'avoir un effet de cheminée permettant un refroidissement naturel des composants électriques 9 de l'équipement 8 en produisant un tirage naturel généré par la différence de pression entre le haut et le bas de l'équipement du à l'échauffement de la colonne d'air emprisonnée. Cette disposition verticale de la direction de circulation d'air, obtenue par la disposition verticale de l'équipement 8 dans la paroi 6, permet d'utiliser ce phénomène thermique naturel d'effet de cheminée pour refroidir les composants électriques 9, même lorsque le train est à l'arrêt sans nécessiter l'utilisation de ventilateurs puissants. En outre, cette disposition verticale de l'équipement 8 dans la paroi est facilitée par le fait qu'en supprimant autant que possible les ventilateurs, l'équipement 8 est plus fin de sorte à pouvoir être intégré dans la paroi 6. De plus, la caisse du train participe à la réalisation de la structure mécanique de l'équipement 8 ce qui permet encore de réduire la masse de cet équipement. Ainsi, l'invention permet d'avoir un équipement électrique compact et peu bruyant, du fait de la minimisation de l'utilisation de ventilateurs et de l'exploitation de l'effet de cheminée. De plus, la disposition de l'équipement 8 dans la paroi 6 permet des échanges thermiques entre l'intérieur du train et l'équipement 8. Ainsi, d'un côté, le train refroidit les composants électriques 9 de l'équipement 8 situés dans le compartiment 10 par son air intérieur frais entrant par la deuxième entrée d'air 18. D'un autre côté, l'équipement 8 réchauffe le train par les pertes de chaleur évacuées sortant par la deuxième sortie d'air 20. Ainsi, lorsque la température extérieure au train est élevée, par exemple l'été, l'air conditionné du véhicule ferroviaire climatisé permet un meilleur refroidissement des composants électriques critiques situés dans le compartiment 10, sans perturber de façon significative la puissance de climatisation installée. Par contre, lorsque la température extérieure au train est basse, par exemple l'hiver, les pertes de chaleur évacuées par l'équipement 8 sont en partie récupérées à l'intérieur du véhicule ferroviaire permettent un meilleur réchauffement du train. Dans les deux situations été ou hiver, l'échange autorisé entre l'air interne du train et les composants électriques 9 favorise la stabilité de la température des composants électrique 9. La répartition des composants 9 et des refroidisseurs 11 de l'équipement électrique 8 en une pluralité de zones selon le mode de réalisation de la figure 3 permet d'isoler thermiquement le canal d'air chaud, ce qui améliore l'efficacité de l'effet de cheminée. De plus, selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les composants électriques 9 sont choisis pour résister à des températures élevées supérieures à une centaine de degrés, ce qui permet de s'affranchir d'autant plus de la nécessité d'utiliser des ventilateurs pour leur refroidissement. Par ailleurs, selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'équipement électrique 8 possède une fréquence de découpe élevée supérieure à 10 kHz, de sorte qu'il ne génère aucun bruit audible par l'oreille humaine. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu des moyens de transport calorifique par un fluide caloporteur des composants 9 vers les refroidisseurs 11 permettant ainsi d'étaler les pertes de puissance dans l'équipement électrique 8. Selon un autre aspect de l'invention, l'équipement électrique 8 est intégré dans une cloison de séparation entre véhicules et non dans une paroi latérale permettant ainsi d'éviter l'utilisation de l'espace généralement nécessaire pour le placement des fenêtres dans les véhicules de transport de voyageurs. Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés.15 REVENDICATIONS1.- Ensemble d'une paroi (6) d'un véhicule ferroviaire (2) et d'au moins un équipement électrique (8) comprenant une pluralité de composants électriques (9) disposés dans au moins un compartiment (10) et au moins un refroidisseur (11) disposé dans au moins un conduit (12) définissant une direction de circulation principale d'un fluide de refroidissement des composants (9), caractérisé en ce que l'équipement électrique (8) est positionné dans la paroi (6) de sorte que la direction de circulation soit disposée verticalement. 2.- Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (12) est cloisonné en une pluralité de sous-conduits (30, 32,) séparés entre eux par des moyens d'isolation thermique et électromagnétique (38). 3.- Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que : - un premier sous-conduit (30) comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures comprises entre 50°C et 80°C ; - un deuxième sous-conduit (32) comporte des refroidisseurs fonctionnant à des températures supérieures à 80°C. 4.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le compartiment (10) est cloisonné en une pluralité de sous- compartiments (34, 36) séparés entre eux par des moyens d'isolation thermique et électromagnétique (38). 5.- Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que : - un premier sous-compartiment (34) comporte des composants électriques fonctionnant à des températures inférieures à 125 °C; - un deuxième sous-compartiment (36) comporte des composants électriques fonctionnant à des températures supérieures à 125°C. 7.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'équipement électrique (8) est un convertisseur de puissance auxiliaire. 8.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'équipement électrique (8) possède une fréquence de découpe supérieure à 10 kHz. 9.- Véhicule ferroviaire (2) comprenant des parois latérales et des cloisons transversales, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'une paroi (6) etd'au moins un équipement électrique (8) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9.- Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement étant de l'air, le compartiment (10) comporte à son extrémité inférieure une entrée d'air (18) et à son extrémité supérieure une sortie d'air (20), l'entrée et la sortie d'air étant situées à l'intérieur du véhicule. 10.- Véhicule selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement étant de l'air, le conduit (12) comporte à son extrémité inférieure une entrée d'air (14) et à son extrémité supérieure une sortie d'air (16), l'entrée et la sortie d'air étant situées à l'extérieur du véhicule. 11.- Véhicule selon la revendication 10, caractérisé en ce que le conduit (12) comporte des moyens de déflexion de l'air placés devant la première entrée d'air (14) et la première sortie d'air (16). 12.- Véhicule selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le compartiment (10) et le conduit (12) débouchant respectivement à l'intérieur et à l'extérieur du véhicule sont adjacents et séparés par une paroi d'isolation (38).