Brevet FR3029485A1 — publié le 20160610

Dispositif aéraulique de refroidissement d'un élément d'un véhicule ferroviaire et véhicule ferroviaire correspondant La présente invention concerne un dispositif aéraulique de refroidissement d'un élément d'un véhicule ferroviaire, destiné à être placé sur une toiture dudit véhicule ferroviaire, du type comprenant un conduit, qui s'étend sensiblement longitudinalement par rapport au véhicule ferroviaire et qui comporte successivement une portion avant, munie d'une ouverture avant pour l'admission d'air, une portion centrale, dans laquelle est logé ledit élément à refroidir, et une portion arrière, munie d'une ouverture arrière pour l'évacuation d'air. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif aéraulique de refroidissement des tubes de circulation d'un fluide caloporteur d'un condenseur d'un dispositif de refroidissement, notamment un dispositif de refroidissement des composants électroniques de puissance pour l'alimentation des moteurs de traction du véhicule. Pour assurer le fonctionnement d'un tel condenseur avec un bon rendement, il est nécessaire de générer un flux d'air autour des tubes, de manière à faciliter l'échange de chaleur entre les tubes et l'air qui les environne. Le document EP 0 578 549 décrit un dispositif aéraulique de refroidissement comportant un conduit de circulation d'air à l'intérieur duquel est logé un élément à refroidir, en l'occurrence un rhéostat de freinage. Le conduit possède des portions avant et arrière, formant des écopes mobiles pouvant être déployées au-dessus du capotage de toiture du véhicule ferroviaire, afin de dévier une fraction de l'air s'écoulant le long du véhicule en mouvement, pour le faire circuler autour de l'élément à refroidir. Toutefois, un tel dispositif aéraulique de refroidissement ne donne pas entièrement satisfaction. Le débit d'air transitant par le conduit est vulnérable à une défaillance mécanique des vérins d'actionnement des portions avant et arrière. Ainsi, la solution à écopes mobiles n'est pas pratique. En outre, un tel dispositif aéraulique de refroidissement est sensible à la vitesse du véhicule. A faible vitesse, le débit d'air amener sur l'élément à refroidir est insuffisant. A haute vitesse, la couche limite de l'écoulement d'air autour du véhicule ferroviaire a tendance à se décoller et à s'écarter des parois externes du véhicule et à passer au-delà des écopes avant et arrière. De ce fait, le débit d'air capté par le dispositif est insuffisant pour assurer un refroidissement efficace. L'invention a donc pour but de palier les problèmes précités. 3029485 2 A cet effet, l'invention a notamment pour objet un dispositif du type précité, caractérisé en ce qu'une surface d'une section transversale du conduit évolue, de l'ouverture avant à l'ouverture arrière, de manière à générer une accélération du flux d'air dans le conduit par effet Venturi. 5 Ce dispositif présente une géométrie optimisée permettant, à vitesse constante du véhicule, d'améliorer les caractéristiques de l'écoulement autour de l'élément à refroidir par rapport à l'état de la technique. Un dispositif aéraulique de refroidissement selon l'invention peut comporter, en outre, l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes 10 combinaisons techniquement envisageables : - la surface de la section transversale de la portion centrale est inférieure à la surface de la section transversale de la portion avant ; - la surface de la section transversale de la portion centrale est inférieure à la surface de la section transversale de la portion arrière ; 15 - les ouvertures avant et arrière sont disposées sensiblement transversalement à un axe longitudinal du véhicule ferroviaire ; - ledit conduit étant un conduit principal, le dispositif comprend, en outre, un conduit secondaire s'étendant sensiblement parallèlement au conduit principal, le conduit secondaire comportant une partie avant, munie d'un orifice avant pour l'admission d'air, 20 une partie centrale, et une partie arrière, munie d'un orifice arrière pour l'évacuation d'air, une surface d'une section transversale du conduit secondaire évoluant, de l'orifice avant à l'orifice arrière du conduit secondaire, de manière à générer des perturbations de nature à favoriser l'accélération du flux d'air dans le conduit principal ; - le conduit secondaire et le conduit principal sont connectés l'un à l'autre par un 25 passage autorisant une circulation d'air, le passage s'étendant entre la portion centrale du conduit principal et la partie centrale du conduit secondaire, les perturbations favorisant l'accélération du flux d'air dans la portion centrale du conduit principal ; - la partie centrale du conduit secondaire est munie d'au moins un déflecteur propre à générer des turbulences dans le flux d'air circulant dans le conduit secondaire ; 30 - le déflecteur est porté par une face supérieure de la partie centrale du conduit secondaire et fait saillie dans la partie centrale du conduit secondaire ; - le déflecteur est une tige ou une plaque. L'invention concerne également un véhicule ferroviaire comprenant un élément à refroidir, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif aéraulique de refroidissement tel que défini plus haut, propre à refroidir ledit élément à refroidir, le dispositif étant fixé sur 3029485 3 une toiture du véhicule de manière à ce qu'un axe du conduit s'étende sensiblement parallèlement à un axe longitudinal du véhicule. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées parmi 5 lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'un véhicule ferroviaire comprenant un dispositif aéraulique selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective du dispositif aéraulique de refroidissement équipant le véhicule ferroviaire de la figure 1, représenté partiellement, et dont certaines 10 parois sont représentées en transparence ; et, - la figure 3 est une vue en coupe, représentée partiellement, selon un plan longitudinal au véhicule, du dispositif de refroidissement de la figure 2. La figure 1 est une représentation générale d'un véhicule ferroviaire 1. Dans la présente description, un repère XYZ est associé au véhicule 1, avec l'axe 15 X, l'axe longitudinal du véhicule 1, orienté de l'arrière vers l'avant selon le sens de déplacement du véhicule 1 ; l'axe Y, l'axe transversal du véhicule ferroviaire orienté de droite à gauche ; et l'axe Z, l'axe vertical du véhicule 1, orienté de bas en haut. Le véhicule 1 comporte au moins une voiture 14, dont la caisse comporte des parois latérale 16 et une toiture 18. 20 La toiture 18 porte un capotage 17 pour les équipements du véhicule placés en toiture. En particulier, le capotage 17 délimite un logement 22, ouvert par le dessus, de réception de deux dispositifs aérauliques de refroidissement 10. Chaque dispositif 10 est disposé, sur la toiture 18 du véhicule 1, entre deux parois 25 transversales avant et arrière du capotage 17. Les dispositifs 10 sont disposés symétriquement par rapport à un plan médian X-Z de la voiture 14. Un dispositif aéraulique de refroidissement 10 est destiné à refroidir la partie condenseur 12 d'un dispositif de refroidissement 13 (figure 3) d'un ensemble de transistors bipolaires à grille isolée (connu sous l'acronyme anglais « IGBT » pour 30 « lnsulated Gate Bipolar Transistor ») pour l'alimentation des moteurs de traction du véhicule. Le condenseur 12 est constitué par une pluralité de tubes 14 de circulation d'un fluide caloporteur logés à l'intérieur du dispositif 10 comme cela sera décrit ci-dessous. Comme cela est représenté en coupe selon un plan parallèle au plan X-Z sur les 35 figures 2 et 3, le dispositif 10 comprend un conduit principal 24 et un conduit secondaire 3029485 4 26, un passage 50 de circulation d'air étant ménagé entre le conduit principal 24 et le conduit secondaire 26. Le conduit principal 24 s'étend sensiblement longitudinalement. Entre une ouverture avant 28 et une ouverture arrière 30, le conduit principal 24 5 comprend successivement, de l'avant vers l'arrière, une portion avant 32, une portion centrale 34 et une portion arrière 36. La portion centrale 34 est la portion à l'intérieur de laquelle sont logés les tubes 14 du condenseur 12 à refroidir. Ceux-ci sont montés de manière à être disposés parallèlement à la direction transversale Y. 10 La portion avant 32 constitue une écope avant d'admission d'air frais dans le conduit principal 24. La portion avant 32 est évasée de sorte que l'ouverture avant 28 s'étend, en projection dans un plan transversal Y-Z, au plus près du gabarit du véhicule 1, de manière à capter les filets d'air d'écoulant le long du capotage 17, à la fois sur le dessus et sur les 15 côtés de celui-ci. La portion arrière 36 constitue une écope arrière de refoulement d'air chaud du conduit principal 24. La portion arrière est évasée de sorte que l'ouverture arrière 30 s'étend, en projection dans un plan transversal Y-Z, au plus prêt du gabarit du véhicule 1, de manière 20 à refouler l'air circulant dans le conduit principal 24 au-dessus et sur les côtés du capotage 17. Les parois du conduit principal 24 présentent, selon le plan X-Z, un profil tel que la section transversale du conduit diminue de l'ouverture avant 28 vers la portion centrale 34 puis augmente de la portion centrale 34 vers l'ouverture arrière 30. 25 Plus précisément, l'évolution longitudinale de la section transversale du conduit principal 24 varie de manière à générer une accélération du flux d'air par effet Venturi dans la portion centrale 34. La portion avant 32 présente ainsi une section transversale dont la surface diminue de l'avant vers l'arrière. La variation de la surface de la section transversale est 30 continue depuis l'ouverture avant 28 jusqu'à l'entrée de la portion centrale 34. Le ratio entre la surface de la section transversale de la portion avant 32 au niveau de l'ouverture avant 28 et la surface de la section transversale de la portion avant 32 au niveau de sa jonction avec la portion centrale 34 est supérieure à 2, avantageusement compris entre 2 et 3. 3029485 5 La portion arrière 36 présente ainsi une section transversale dont la surface augmente de l'avant vers l'arrière. La variation de la surface de la section transversale est continue depuis la jonction avec la portion centrale 34 jusqu'à l'ouverture arrière 30. Le ratio entre la surface de la section transversale de la portion arrière 36 au 5 niveau de l'ouverture arrière 30 et la surface de la section transversale de la portion arrière 36 au niveau de sa jonction avec la portion centrale 34 est supérieure à 2, avantageusement compris entre 2 et 3. Par la géométrie adaptée du conduit principal 24, l'air est accéléré de manière à circuler avec une vitesse adaptée autour des tubes 14 à refroidir. Cette accélération 10 permet de compenser une vitesse faible d'admission dans la portion avant 32 du conduit principal 24, vitesse qui serait insuffisante pour refroidir l'élément à refroidir. Ainsi, même pour une faible vitesse de circulation du véhicule ferroviaire, le débit d'air circulant dans la portion centrale est suffisamment important pour permettre d'évacuer la quantité de chaleur nécessaire à un fonctionnement efficace du dispositif à 15 refroidir. De préférence, pour améliorer encore les performances du conduit principal 24, le dispositif 10 comporte un conduit secondaire 26, s'étendant sensiblement parallèlement et au-dessus du conduit principal 24, dans le sens longitudinal du véhicule ferroviaire. Entre un orifice avant 40 et un orifice arrière 42, le conduit secondaire 26 20 comprend successivement, de l'avant vers l'arrière, une partie avant 44, une partie centrale 46 et une partie arrière 48. La partie centrale 46 est située au-dessus de la portion centrale 34 du conduit principal 24. L'orifice avant 40 permet l'admission d'air frais depuis l'extérieur dans le conduit 25 secondaire 26. La partie avant 44 forme une écope permettant de capter l'air et l'amener vers la partie centrale 46. L'orifice arrière 42 permet l'éjection d'air chaud vers l'extérieur depuis le conduit secondaire 26. La partie arrière 48 forme une écope permettant l'éjection de l'air de la partie centrale 46. 30 Les parois latérales, supérieure et inférieure de la partie centrale 46 définissent une chambre. La paroi inférieure de la partie centrale 46 est munie d'un passage 50 permettant une communication fluidique entre la portion centrale 34 et la partie centrale 46. Une grille 58 est placée en travers du passage 50. 3029485 6 La section transversale du conduit secondaire 26 est sensiblement constante de l'avant à l'arrière. La partie centrale 46 du conduit secondaire est munie de déflecteurs 60 permettant de générer des turbulences dans le flux d'air circulant dans le du conduit 5 secondaire 26. Les déflecteurs 60 sont portés par la paroi supérieure de la partie centrale 46. Les déflecteurs 60 font saillie depuis la paroi supérieure vers la grille 58. Les déflecteurs 60 prennent la forme d'une tige, d'un plan ou toute autre forme propre à engendrer des turbulences dans l'écoulement d'air capté par la partie avant 44. 10 Ainsi, la partie centrale 46 est conçue pour générer des turbulences dans le flux d'air circulant dans le conduit secondaire. Ces turbulences sont propres à générer une dépression au niveau du passage 50, et, par conséquent, dans la portion centrale 34 du conduit principal 24. De préférence, la dépression créée par les turbulences compense la perte de 15 charge dans le conduit principal causée par les tubes 14 à refroidir. Le passage 50 entre les conduits principal et secondaire permet à une fraction du flux d'air admis dans le conduit principal, de passer dans le conduit secondaire et d'être éjecté par l'orifice arrière du conduit secondaire. L'augmentation de la dépression dans la portion centrale 34 du conduit principal 20 24 accélère davantage l'air capté par la portion avant 28. Le conduit secondaire 26 permet ainsi d'améliorer l'aéraulique du conduit principal 24. Le dispositif aéraulique 10 de refroidissement garantit un refroidissement sûr, sans recours à un ventilateur ou à une autre pièce mécanique mobile ou rotative. 25 Le dispositif aéraulique de refroidissement exploite avantageusement l'effet Venturi pour refroidir un condenseur. REVENDICATIONS1.- Dispositif aéraulique (10) de refroidissement d'un élément (12) d'un véhicule ferroviaire (1), le dispositif aéraulique (10) étant destiné à être placé sur une toiture (18) dudit véhicule ferroviaire (1) et comprenant un conduit (24), qui s'étend sensiblement longitudinalement par rapport au véhicule ferroviaire (1) et qui comporte successivement une portion avant (32), munie d'une ouverture avant (28) pour l'admission d'air, une portion centrale (34), dans laquelle est logé ledit élément (12) à refroidir, et une portion arrière (36), munie d'une ouverture arrière (30) pour l'évacuation d'air, caractérisé en ce qu'une surface d'une section transversale du conduit (24) évolue, de l'ouverture avant (28) à l'ouverture arrière (30), de manière à générer une accélération du flux d'air dans le conduit (24) par effet Venturi. 2.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 1, dans lequel la surface de la section transversale de la portion centrale (34) est inférieure à la surface de la section transversale de la portion avant (32). 3.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 2, dans lequel la surface de la section transversale de la portion centrale (34) est inférieure à la surface de la section transversale de la portion arrière (36). 4.- Dispositif aéraulique (10) selon les revendications 1 à 3, dans lequel les ouvertures avant (28) et arrière (30) sont disposées sensiblement transversalement à un axe longitudinal du véhicule ferroviaire (1). 5.- Dispositif aéraulique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit conduit (24) étant un conduit principal, le dispositif comprend, en outre, un conduit secondaire (26) s'étendant sensiblement parallèlement au conduit principal (24), le conduit secondaire (26) comportant une partie avant (44), munie d'un orifice avant (40) pour l'admission d'air, une partie centrale (60), et une partie arrière (48), munie d'un orifice arrière (42) pour l'évacuation d'air, une surface d'une section transversale du conduit secondaire (26) évoluant, de l'orifice avant (40) à l'orifice arrière (42) du conduit secondaire, de manière à générer des perturbations de nature à favoriser l'accélération du flux d'air dans le conduit principal (24). 3029485 8 6.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 5, dans lequel le conduit secondaire (26) et le conduit principal (24) sont connectés l'un à l'autre par un passage (50) autorisant une circulation d'air, le passage s'étendant entre la portion centrale (34) du conduit principal et la partie centrale (46) du conduit secondaire, les perturbations 5 favorisant l'accélération du flux d'air dans la portion centrale (34) du conduit principal (24). 7.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel la partie centrale (46) du conduit secondaire est munie d'au moins un déflecteur (60) propre à générer des turbulences dans le flux d'air circulant dans le conduit 10 secondaire (26). 8.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 7, dans lequel le déflecteur (60) est porté par une face supérieure de la partie centrale du conduit secondaire (26) et fait saillie dans la partie centrale (46) du conduit secondaire. 15 9.- Dispositif aéraulique (10) selon la revendication 8, dans lequel le déflecteur (60) est une tige ou une plaque. 10.- Véhicule ferroviaire (1) comprenant un élément à refroidir (12), caractérisé en 20 ce qu'il comporte un dispositif aéraulique (10) de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, propre à refroidir ledit élément à refroidir (12), le dispositif (10) étant fixé sur une toiture (18) du véhicule de manière à ce qu'un axe du conduit (24) s'étende sensiblement parallèlement à un axe longitudinal du véhicule (1).