Brevet FR2965342A1 — publié le 20120330

BATTERIE THERMIQUE, MODULE DE CHAUFFAGE UTILISANT UNE TELLE BATTERIE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE UTILISANT UNE TELLE BATTERIE ET/OU UN TEL MODULE La présente invention concerne une batterie thermique, un module de chauffage utilisant une telle batterie et un dispositif de chauffage utilisant une telle batterie et/ou un tel module. Elle trouvera ses applications, notamment, dans le domaine des véhicules automobiles, notamment des véhicules automobiles à système de traction partiellement ou totalement électrique. Elle est plus particulièrement destinée au chauffage de l'habitacle dudit véhicule. Actuellement, pour les véhicules à moteur thermique, tel que moteur essence ou diesel, il est connu de refroidir le moteur à l'aide d'un circuit utilisant un fluide caloporteur qui, après avoir été échauffé en traversant le moteur peut être envoyé non seulement vers un radiateur de refroidissement dudit fluide mais aussi vers un radiateur de chauffage servant à réchauffer l'habitacle du véhicule. Dans les véhicules électriques, on considère aujourd'hui que les systèmes d'entraînement des véhicules, notamment les machines électriques et leur dispositif de commande, dissipent trop peu de chaleur pour assurer de la sorte un chauffage satisfaisant de l'habitacle. Le problème peut se poser de la même façon, même si c'est dans une moindre mesure, dans les véhicules à traction hybride, c'est-à-dire, combinant un moteur thermique et une machine électrique pour assurer l'entraînement du véhicule. Il a ainsi été proposé d'utiliser des résistances électriques, alimentées à partir des batteries électriques du véhicule, pour assurer un chauffage de l'habitacle. Cependant, le bon fonctionnement de cette solution dépend de l'état de charge des batteries électriques. Par ailleurs, il est connu des batteries à chaleur latente, c'est-à-dire, des batteries permettant de stocker et de restituer de la chaleur par l'intermédiaire d'un matériau à changement de phase. Il existe cependant un besoin de batteries thermiques adaptées à des applications dans le domaine automobile, notamment pour les véhicules à motorisation hybride ou électrique. L'invention se propose d'améliorer la situation et porte sur une batterie thermique, notamment pour véhicule automobile, comprenant un boîtier et un faisceau d'échange de chaleur, logé dans ledit boîtier, ladite batterie étant configurée pour permettre un échange de chaleur entre un fluide caloporteur, prévu traversant ledit faisceau et un matériau stockeur de calories, confiné dans ledit boîtier. On obtient de la sorte une batterie à chaleur latente d'implantation simple dans un véhicule automobile. Selon différents modes de réalisation : - ledit faisceau définit une pluralité de trajets pour ledit fluide caloporteur alternant avec une pluralité de lames de matériau stockeur de calories, - le boitier comprend une enveloppe, un matériau thermiquement isolant et un corps de confinement, ledit faisceau étant logé dans le corps de confinement et ledit matériau stockeur de calories étant confiné dans ledit corps, ledit matériau thermiquement isolant remplissant au moins partiellement un volume prévu entre ladite enveloppe et ledit corps, - le corps présente, d'une part, des flancs fixés sur le faisceau et, d'autre part, un flanc amovible, de façon à permettre le remplissage du corps en matériau stockeur de calories avant fixation dudit flanc amovible et fermeture dudit corps après fixation dudit flanc amovible sur le reste du corps, - ledit corps est muni de boites collectrices pour le fluide caloporteur communiquant avec ledit faisceau par l'intermédiaire d'orifices prévus au niveau desdits flancs fixés sur ledit faisceau. L'invention concerne également un module de chauffage, notamment pour véhicule pour véhicule automobile, comprenant une batterie thermique telle que décrit plus haut. Selon différents modes de réalisation : - le module comprend un carter à l'intérieur duquel est logée ladite batterie thermique, - ledit carter comprend en outre des moyens pour chauffer un fluide caloporteur, à partir d'au moins une source de courant électrique, ledit module étant configuré pour permettre, lors de certaines phases, un chauffage dudit fluide caloporteur par lesdits moyens pour chauffer le fluide caloporteur et un stockage de chaleur depuis ledit fluide caloporteur dans ladite batterie et, lors d'autres phases, une restitution de chaleur de ladite batterie vers ledit fluide caloporteur. Grâce à la batterie thermique dans laquelle de la chaleur a pu être stockée, le chauffage ne dépend donc plus seulement de l'état de charge de la source de courant utilisée. On pourra encore prévoir que : - ledit carter comprend en outre des moyens de contrôle de la circulation du fluide permettant, de façon sélective : - une circulation du fluide en série dans une branche, dite de charge, et dans une branche, dite de sources thermiques, comprenant ladite batterie thermique et lesdits moyens pour chauffer un fluide caloporteur, - une circulation en série dans la branche de sources thermiques et dans une autre branche, dite de chauffage, - ledit carter comprend en outre une pompe, prévue sur ladite branche de sources thermiques, - ledit module comprend en outre des tubulures d'entrée et/ou de sortie, aptes à être reliées à ladite branche de chauffage. L'invention concerne également un dispositif de chauffage d'un véhicule automobile à système d'entrainement partiellement ou totalement électrique comprenant une batterie thermique et/ou un module d'échange de chaleur tels que décrits plus hauts. L'invention concerne encore un ensemble d'une batterie thermique ou d'un module d'échange de chaleur tels que décrits plus haut et d'une quantité désirée de matériau stockeur, confiné dans ledit boîtier. Avantageusement, un volume mort est conservé dans le boîtier pour absorber la dilatation du matériau stockeur, notamment lors de ces changements de phases. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : - la figure 1 illustre en perspective partiellement éclatée un exemple de réalisation d'une batterie thermique conforme à l'invention, - la figure 2 illustre en perspective le faisceau de la batterie de la figure 1, - la figure 3 est une coupe partielle du faisceau de la figure 2, - la figure 4 illustre en perspective le corps de la batterie de la figure 1, - la figure 5 est une vue en perspective d'un écorché d'un exemple de réalisation d'un module de chauffage conforme à l'invention, - la figure 6 illustre de façon schématique un mode de réalisation du dispositif de chauffage selon l'invention, dans un premier mode de fonctionnement, - la figure 7 illustre de façon schématique le dispositif de la figure 1, dans un second mode de fonctionnement, - la figure 8 illustre de façon schématique le dispositif de la figure 1, dans un troisième mode de fonctionnement, - la figure 9 illustre de façon schématique le dispositif de la figure 1, dans un quatrième mode de fonctionnement. Comme illustré aux figures 1 à 4, l'invention concerne tout d'abord une batterie thermique 2, notamment pour véhicule automobile, comprenant un boîtier 100 et un faisceau d'échange de chaleur 101, logé dans ledit boîtier 100. Ladite batterie 2 est configurée pour permettre un échange de chaleur entre ledit fluide caloporteur, par exemple de l'eau additionnée d'antigel, notamment du glycol, prévu traversant ledit faisceau 101 et un matériau stockeur de calories, confiné dans ledit boîtier 100. On réalise ainsi batterie à chaleur latente qui convient à des applications automobile. Ledit matériau stockeur de calories est constitué, par exemple, d'un matériau à changement de phase (MCP). Ce dernier est choisi de façon à ce que, lorsque la batterie est traversée par le liquide caloporteur prévu suffisamment chaud, c'est-à-dire à une température supérieure à la température de solidification du MCP, celui-ci fond et par conséquent emmagasine de la chaleur par changement de phase solide-liquide. L'énergie latente emmagasinée pourra alors être déstockée en faisant circuler dans la batterie le liquide caloporteur, prévu à une température inférieure à la température de fusion du MCP. Comme plus particulièrement illustré aux figures 2 et 3, ledit faisceau 101 définit, par exemple, une pluralité de trajets 102 pour ledit fluide caloporteur alternant avec une pluralité de lames 103 de matériau stockeur de calories. Ledit faisceau est constitué, par exemple, d'une pluralité de plaques empilées 104. Lesdites plaques 104 sont assemblées par paire pour définir ladite pluralité de trajets 102 pour le fluide caloporteur, un dit trajet 102 étant prévu entre deux plaques 104 d'une même paire. De plus, lesdites paires de plaques sont éloignées de la ou des paires voisines pour définir, entre lesdites paires, ladite pluralité de lames 103 de matériau stockeurs de calories. Lesdites paires de plaques 104 communiquent entre elles pour définir, notamment, un ou des collecteurs 105 pour le fluide caloporteur, communiquant avec ladite pluralité de trajets 102 pour le fluide caloporteur. Lesdites plaques 104 sont, par exemple, en métal, notamment, aluminium ou alliage d'aluminium. Il pourra s'agir de plaques embouties. Lesdites plaques 104 présentent, par exemple, des bords relevés 106, délimitant les trajets 102 pour le fluide caloporteur. Lesdites plaques 104 pourront aussi présenter des premiers bossages 107 permettant la mise en communication, deux à deux, des paires de plaques de façon à définir le ou lesdits collecteurs 105. Dans l'exemple illustré, lesdites plaques 104 sont sensiblement rectangulaires et lesdits premiers bossages 107 sont situés au niveau de deux coints adjacents desdites plaques. Lesdites plaques pourront aussi présenter des seconds bossages 108 pour forcer une circulation en plusieurs passes du fluide caloporteur entre les collecteurs 105. On entend par là que les seconds bossages 108 définissent des canaux 109 de circulation pour le fluide caloporteur dans lesquels celui-ci s'écoule en changeant de directions d'un canal à l'autre, comme illustré par les cercles marqués d'une croix (parcouru dans un premier sens, selon une direction perpendiculaire à la figure 2) et les cercles marqués d'un point (parcouru dans le sens inverse selon la direction perpendiculaire à la figure 2). Lesdites plaques 104 pourront encore présenter des troisièmes bossages ou protubérances 110 permettant de perturber l'écoulement du fluide. Ceux-ci ont pour fonction d'améliorer l'échange de chaleur en perturbant l'écoulement du fluide caloporteur. Des perturbateurs 111 sont éventuellement prévus entre les paires de plaques 104, au niveau des lames de matériau stockeur. Ils augmentent la surface d'échange. Ils pourront aussi être liés aux plaques 104 et renforcer de la sorte la résistance mécanique du faisceau. Le faisceau est constitué, par exemple, de briques A, B, C de base, identiques, définies chacune par un empilement de dites plaques 104, lesdits briques A, B, C étant placées dans le prolongement l'une de l'autre. Si l'on se reporte de nouveau à la figure 1, on constate que le boitier comprend, par exemple, une enveloppe 120, un matériau thermiquement isolant 121, notamment mousse de polyuréthane, et un corps 122 de confinement, ledit faisceau 101 étant logé dans le corps 122. Par ailleurs, ledit matériau stockeur de calories est confiné dans ledit corps 122. Ledit matériau thermiquement isolant 121 remplit au moins partiellement un volume prévu entre ladite enveloppe 120 et ledit corps 122. Selon l'exemple illustré à la figure 1, la batterie est prévue sans autres éléments entre l'enveloppe 120 et le corps 122 et le volume prévu entre ceux- ci est entièrement rempli par le matériau thermiquement isolant 121. L'enveloppe 120 est fermée par un couvercle 123. Comme illustré à la figure 4, le corps 122 présente, d'une part, des flancs fixés sur le faisceau et, d'autre part, un flanc amovible 131, de façon à permettre le remplissage du corps en matériau stockeur de calories avant fixation dudit flanc amovible 131 et fermeture dudit corps 122 après fixation dudit flanc amovible 131 sur le reste du corps 122. Il s'agit, par exemple, de flancs métalliques, notamment en aluminium et/ou alliage d'aluminium. Ledit faisceau présente, par exemple, une forme sensiblement parallélépipédique et les flancs fixés, notamment brasés, sur le faisceau 101 sont constitués de trois flancs latéraux 130a, 130b, 130c d'un flanc supérieur 132 et d'un flanc inférieure 133. Lesdits flancs supérieur 132 et inférieur 133 sont respectivement fixés aux plaques 104 se trouvant à l'extrémité supérieur et inférieur de l'empilement de plaques 104. Les flancs latéraux 130a, 130b, 130c fixés sur le faisceau sont, par exemple, au contact des bords relevés 106. Lesdits flancs 130a, 130b, 130c, 132, 133 fixés sur le faisceau sont également fixés entre eux deux à deux au niveau de leur arrête de contact. Une fois le flanc amovible 131 mis en place, un volume fermé contenant ledit matériau stockeur est défini à l'intérieur du corps 122. Un volume mort pourra être prévu pour absorber les dilatations dudit matériau. Le corps 122 pourra encore comprendre un joint d'étanchéité entre le flanc amovible 121 et les flancs voisins130a, 130c, 132, 133. Ledit corps 122 est muni, par exemple, de boites collectrices 134 pour le fluide caloporteur communiquant avec ledit faisceau par l'intermédiaire d'orifices, non représentés, prévus au niveau de dits flancs fixés au faisceau. Elles sont situées, notamment, au niveau des flancs supérieur 132 et inférieur 133. Lesdites boites collectrices 134 sont éventuellement munies de cloisons pour définir la circulation du fluide caloporteur entre les briques A, B, C en série et/ou en parallèle. Elles présentent, par exemple des tubulures d'entrée 135 et/ou de sortie 136. Comme illustré à la figure 5, ladite batterie 2 peut aussi être intégrée dans un module de chauffage, notamment pour véhicule pour véhicule automobile. Selon l'invention, ledit module comprend, par exemple, un carter 150 à l'intérieur duquel est logée ladite batterie thermique. Dans le mode de réalisation illustré, le boîtier 100 de la batterie comprend un corps 122 tel que celui décrit plus haut. Un matériau isolant 121 pourra aussi être prévu autour dudit corps 122, à proximité de celui-ci. Il ne remplit cependant pas la totalité du carter 150 dans lequel un volume libre 151 est disponible pour d'autres composants. A ce sujet, ledit carter comprend en outre, par exemple des moyens 1 pour chauffer un fluide caloporteur, à partir d'au moins une source de courant électrique, ledit module étant configuré pour permettre, lors de certaines phases, un chauffage dudit fluide caloporteur par lesdits moyens 1 pour chauffer le fluide caloporteur et un stockage de chaleur depuis ledit fluide caloporteur dans ladite batterie 2 et, lors d'autres phases, une restitution de chaleur de ladite batterie 2 vers ledit fluide caloporteur. Par « moyens pour chauffer », on entend, par exemple, que la fonction principale, voir unique, desdits moyens est de chauffer le fluide caloporteur et qu'il ne s'agit pas d'organes électriques, tels que, moteur ou composants électroniques, ayant une fonction utile différente de celle de dissiper de la chaleur dans ledit fluide caloporteur. Lesdits moyens pour chauffer le fluide caloporteur sont ainsi constitués, par exemple, d'une résistance électrique, ledit dispositif étant configuré pour que ladite résistance soit traversée par ledit fluide caloporteur. Un connecteur électrique 160 est prévu sur ladite résistance. Ledit carter 150 comprend en outre, par exemple, des moyens 7 de contrôle de la circulation du fluide permettant, de façon sélective : - une circulation du fluide en série dans une branche 8, dite de charge, et dans une branche 4, dite de sources thermiques, comprenant ladite batterie thermique 2 et lesdits moyens 1 pour chauffer un fluide caloporteur, - une circulation en série dans la branche de sources thermiques 4 et dans une autre branche 6, dite de chauffage, lesdites branches de charge 8 et de chauffage 6 étant mieux visibles aux figures suivantes. Lesdits moyens 7 de contrôle sont constitués d'une vanne trois voies, chacune desdites branches 4, 6, 8 étant reliée à l'une des voies de la vanne trois voies par l'une de leur extrémité. Lesdites branches de sources thermiques 4 et de charge 8 sont placées dans le carter 150 et ladite branche de chauffage 6 est situé à l'extérieur de celui-ci. Ledit carter comprend en outre, par exemple, une pompe 5, prévue sur ladite branche 4 de sources thermiques. Ledit module pourra encore comprendre des tubulures d'entrée 152 et/ou de sortie 153, aptes à être reliées à ladite branche de chauffage 6. La tubulure d'entrée 152 du module communique avec un conduit 154 placé entre la vanne trois voies et la pompe 5 tandis que la tubulure de sortie 153 est issue de ladite vanne trois voies. Ladite vanne trois voies est configurée pour obturer la tubulure de sortie 153 du module tout en mettant en communication le fluide caloporteur venant de la résistance électrique 1 et le conduit 154 amenant à la pompe 5. Ledit carter 151 présente, par exemple, une configuration parallélépipédique. La batterie 2 est logée dans l'un des coins du carter et la vanne trois voies 7 est située dans un coin opposé à celui de la batterie 2. La pompe 5 et la résistance sont situées dans les deux autres coins. On optimise de la sorte l'encombrement du module. Comme illustré aux figures 7 à 9, l'invention concerne encore un dispositif de chauffage d'un véhicule automobile à système d'entrainement partiellement ou totalement électrique comprenant une batterie thermique et/ou un module d'échange de chaleur tels que décrits plus haut. Le dispositif pourra aussi comprendre un radiateur de chauffage 3, apte à être traversé par ledit fluide caloporteur et par un fluide à réchauffer, notamment un flux d'air, ledit radiateur permettant de réaliser un échange de chaleur entre ledit fluide à réchauffer et ledit fluide caloporteur. Il pourra s'agir, par exemple, d'un échangeur du type tubes - intercalaires, c'est-à-dire, comprenant un faisceau de tubes parallèles parcourus par ledit fluide caloporteur, lesdits tubes étant reliés par leur extrémité à des boites collectrices présentant une entrée et une sortie pour le fluide caloporteur. Des intercalaires sont prévus entre les tubes et sont traversés par le flux d'air. Ledit échangeur pourra être placé dans un boîtier d'un système de conditionnement d'air, non-représenté, avec un ventilateur ou pulseur 9, permettant de forcer un flux d'air à travers ledit échangeur. Selon l'exemple de réalisation illustré, ledit dispositif selon l'invention comprend trois branches de circulation dudit fluide caloporteur, à savoir la branche 4 de sources thermiques, la branche 6 de chauffage, qui comprend ledit radiateur de chauffage 3, et la branche de charge 8. Lesdites branches 4, 6, 8 sont reliées entre elles au niveau de la vanne trois voies 7, placées à l'une de leur extrémité 4a, 6a, 8a et d'un point commun 10 placé à l'autre de leur extrémité 4b, 6b, 8b. Ledit dispositif est configuré pour permettre la mise en oeuvre, totale ou partielle, du procédé conforme à l'invention dont la description suit. Selon ce dernier, comme déjà dit, lors de certaines phases, on stocke de la chaleur depuis ledit fluide caloporteur dans ladite batterie 2 en chauffant ledit fluide caloporteur par lesdits moyens 1 pour chauffer le fluide caloporteur, comme cela est illustré aux figures 6 et 7. Lors d'autres phases, on chauffe le fluide caloporteur par une restitution de chaleur de ladite batterie 2 vers ledit fluide caloporteur, comme cela est illustré aux figures 8 et 9. Lors des phases de chauffage dudit fluide caloporteur par lesdits moyens 1 pour chauffer le fluide caloporteur, on pourra obtenir un réchauffement du flux d'air traversant le radiateur en faisant circuler le fluide caloporteur à travers lesdits moyens 1 pour chauffer ledit fluide caloporteur et à travers ledit radiateur 3, comme illustré aux figures 7 et 9. Il Lors des phases de restitution de la chaleur par ladite batterie thermique 2, on pourra obtenir un réchauffement du flux d'air en faisant circuler le fluide caloporteur à travers ladite batterie 2 et ledit radiateur 3, comme cela est illustré aux figures 8 et 9. On dispose ainsi de trois modes pour obtenir un réchauffement de l'air traversant le radiateur 3. Par ailleurs, selon un mode de réalisation de l'invention, on repère un mode dans lequel le véhicule est connecté à un réseau électrique domestique, dit mode d'arrêt, et un mode dans lequel le système d'entraînement du véhicule est actif, dit mode de roulage. Et, en cas de repérage dudit mode d'arrêt, on alimente lesdits moyens 1 pour chauffer ledit fluide caloporteur à partir dudit réseau électrique domestique, comme cela est illustré aux figures 6 et 7. Par réseau électrique domestique, on entend, par exemple, le réseau électrique basse tension d'un domicile ou d'une station de charge telle qu'un réseau électrique alternatif triphasé offrant un courant électrique de 220V à 240V, à 50 ou 60 Hz, entre phase et neutre. A l'inverse, en mode de roulage, on alimentera lesdits moyens 1 pour chauffer ledit fluide caloporteur à partir d'une source de courant du véhicule, notamment une source de courant du système d'entrainement du véhicule. Il pourra s'agir d'un réseau électrique haute tension du véhicule, tel qu'un réseau offrant un courant continu de 400 V, reliant la machine électrique d'entrainement du véhicule à des batteries, dite de traction. Il pourrait aussi s'agir d'un réseau basse tension du véhicule, tel qu'un réseau offrant un courant continu de 12V, servant à alimenter différents organes électriques du véhicule depuis une batterie basse tension. D'une façon plus générale, en mode d'arrêt les différents équipements électriques du dispositif de chauffage selon l'invention, tels que la pompe 5 et/ou le ventilateur 9, pourront être alimentés par ladite source de courant domestique tandis que, en mode de roulage, ils seront alimentés par ladite source de courant du véhicule. De façon plus détaillé, comme illustré à la figure 6, en mode d'arrêt, on pourra tout d'abord charger la batterie thermique 2 en faisant circuler le fluide en série dans la branche de charge 8 et dans la branche de sources thermiques 4, notamment par la vanne trois voies 7 dont les voies reliées aux dites branches 4, 8 sont prévues ouvertes tandis que la voie de ladite vanne 7, reliée à la branche de chauffage 6, est fermée. Et on alimente la résistance 1 par la source de courant domestique, sans alimenter le ventilateur 2. La pompe 5 est elle aussi alimentée par la source de courant domestique. Toujours en mode d'arrêt, comme illustré à la figure 7, on pourra ensuite, si désiré, chauffer le fluide traversant le radiateur de chauffage 3 en faisant circuler le fluide en série dans la branche 4 de sources thermiques et dans la branche 6 de chauffage, notamment par la vanne trois voies 7 dont les voies reliées aux dites branches 4, 6 sont prévues ouvertes tandis que la voie de ladite vanne 7, reliée à la branche de charge 8, est fermée. Et on alimente la résistance 1 et la pompe 5 ainsi que le ventilateur 9 à partir de ladite source de courant domestique. On peut ainsi réaliser un pré chauffage du véhicule, sans décharger ni ses batteries électriques ni la batterie thermique. De même, en mode de roulage, comme illustré à la figure 8, on pourra obtenir un chauffage de l'habitacle en chauffant le fluide traversant le radiateur de chauffage 3 grâce à une circulation du fluide caloporteur dans la branche de sources thermiques 4 et dans la branche de chauffage 6, notamment par la vanne trois voies 7 dont les voies reliées aux dites branches 4, 6 sont prévues ouvertes tandis que la voie de ladite vanne 7, reliée à la branche de charge 8, est fermée. Et on alimente la pompe 5 ainsi que, éventuellement, le ventilateur 9, sans alimenter la résistance 1. On minimise ainsi le courant pris sur les batteries électriques en se servant de la restitution de chaleur réalisé par la batterie thermique 2. Toujours en mode de roulage, on pourra repérer des conditions de déchargement de la batterie thermique 2 et chauffer le fluide traversant le radiateur de chauffage 3 en faisant circuler le fluide en série dans la branche de sources thermiques 4 et dans la branche de chauffage 6, notamment par la vanne trois voies 7 dont les voies reliées aux dites branches 4, 6 sont prévues ouvertes tandis que la voie de ladite vanne 7, reliée à la branche de charge 8, est fermée. Et on alimente la pompe 5 et la résistance 1 ainsi que, éventuellement, le ventilateur 9. On peut ainsi, en particulier si la demande de chauffage se prolonge et si l'état de charge des batteries électriques du véhicules le permet, prolonger le réchauffement de l'air, même si les batteries thermiques n'ont plus ou peu de chaleur à restituer.