Brevet FR3040583A1 — publié le 20170303

Coffre d'un système d'alimentation en puissance électrique pour un véhicule ferroviaire et échangeur de chaleur pour un tel coffre L'invention a pour domaine celui des échangeurs de chaleur et, plus particulièrement, celui des échangeurs de chaleur destinés au refroidissement d'un système d'alimentation en puissance électrique embarqué à bord d'un véhicule ferroviaire. On connaît par exemple un système d'alimentation électrique embarqué à bord d'un tramway et destiné à coopérer avec un rail d'alimentation par le sol disposé le long de la voie pour capter une puissance électrique et l'appliquer, après mise en forme, aux moteurs du tramway. Pour libérer le volume intérieur du tramway afin de le réserver au transport des passagers, les composants du système d'alimentation sont avantageusement placés en toiture. Cependant le nombre des équipements à placer en toiture et le gabarit contraint d'un tramway fait qu'il est nécessaire de réduire l'encombrement des coffres à l'intérieur desquels sont logés ces composants du système d'alimentation. En particulier, dans l'état de la technique, un coffre comporte un dispositif de refroidissement permettant d'évacuer la chaleur produite, à l'intérieur du coffre, par des composants de puissance (diodes, transistors, etc.) L'invention a donc pour but de palier à ce problème, en proposant notamment un coffre d'encombrement réduit tout en offrant une capacité accrue de refroidissement des composants du système d'alimentation en puissance électrique. L'invention a pour objet un coffre d'un système d'alimentation en puissance électrique pour un véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur du type air/air, subdivisant le coffre en un premier volume et un second volume, qui sont étanches l'un par rapport à l'autre, l'échangeur de chaleur comportant : un circuit primaire, comportant un tunnel de circulation d'air, entre une entrée d'air connectée à un ouverture prévue sur une paroi du coffre, propre à admettre de l'air depuis l'extérieur du coffre, et une sortie d'air connectée à une ouverture prévue sur une paroi du coffre, propre à refouler de l'air à l'extérieur du coffre ; un premier circuit secondaire propre à faire circuler de l'air du premier volume le long d'une première paroi du tunnel du circuit primaire, entre une entrée d'air, propre à admettre de l'air depuis le premier volume, et une sortie d'air, propre à refouler de l'air dans le premier volume ; et, 3040583 2 un second circuit secondaire propre à faire circuler de l'air du second volume le long d'une seconde paroi du tunnel du circuit primaire, entre une entrée d'air, propre à admettre de l'air depuis le second volume, et une sortie d'air, propre à refouler de l'air dans le second volume. 5 Suivant des modes particuliers de réalisation, le coffre comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : le flux de circulation d'air dans le circuit primaire s'effectue selon un premier sens d'une direction principale, tandis que le flux de circulation d'air dans les 10 premier et second circuits secondaires s'effectue selon un second sens de la direction principale opposé au premier. chacune des entrées et/ou des sorties du circuit primaire et des premier et second circuits secondaires comportent des ventilateurs, dont les vitesses de rotation sont propres à être commandées indépendamment les unes des autres. 15 le tunnel du circuit primaire est délimité par deux plaques planes disposées parallèlement et délimitant dans le coffre les premier et second volumes. le circuit primaire est connecté à un système de conditionnement de l'air du volume intérieur du véhicule ferroviaire. le coffre étant destiné à être implanté sur le toit d'un véhicule ferroviaire, la 20 direction principale correspond à une direction verticale. le coffre étant destiné à être implanté sur le toit d'un véhicule ferroviaire, le coffre est protégé des rayons solaires par un élément formant pare-soleil, et la sortie du circuit primaire est disposée de manière à faire circuler l'air refoulé par le circuit primaire contre une surface dudit pare-soleil. 25 le premier volume est destiné à loger des composants dont une température de fonctionnement est proche d'une première température et le second volume est destiné à loger des composants dont une température de fonctionnement est proche d'une seconde température, l'échangeur de chaleur étant dimensionné et réguler pour maintenir lesdites première et seconde températures. 30 les composants logés dans les premier et second volumes du coffre comportent au moins une diode, ladite diode étant montée sur une paroi du tunnel du circuit primaire. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur propre à constituer l'échangeur de chaleur du coffre présenté précédemment. 35 L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre 3040583 3 d'exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe selon un plan transversal à l'axe longitudinal du véhicule ferroviaire d'un coffre selon l'invention ; et, - la figure 2 est une représentation schématique en perspective de l'échangeur de chaleur du dispositif de refroidissement monté à l'intérieur du coffre de la figure 1. Sur la figure 1 un coffre 10 est représenté, monté sur la toiture 12 d'un véhicule ferroviaire, de préférence un tramway. 10 Un référentiel XYZ est associé au véhicule ferroviaire de sorte que la direction X coïncide avec la direction longitudinale du véhicule, la direction Y avec une direction horizontale transversale, et la direction Z avec une direction verticale. L'axe Z est orienté du bas vers le haut. Le coffre 10 a une forme sensiblement parallélépipédique. Il comporte notamment 15 une paroi inférieure 14 et une paroi supérieure 16. Le volume intérieur du coffre 10 est subdivisé en un premier volume 21 et un deuxième volume 22 par un échangeur de chaleur 25. L'échangeur de chaleur 25 présente une forme sensiblement plane. Il est disposé dans le plan X-Z de manière à isoler le premier volume 21 du second volume 22. Les 20 premier et second volumes, 21 et 22, sont donc étanches l'un par rapport à l'autre. Plus précisément, en référence aux figures 1 et 2, l'échangeur de chaleur 25 est du type air / air. Il comporte un circuit primaire 30 comportant un tunnel 32 de circulation de l'air entre une entrée d'air 34 et une sortie d'air 36. 25 Le tunnel 32 est délimité par deux plaques planes, respectivement 41 et 42. De préférence, des ailettes sont disposées verticalement dans le tunnel 32 et reliées thermiquement aux plaques 41 et 42 de manière à maximiser l'échange de chaleur entre l'air circulant dans le tunnel 32 et la plaques 41 et 42. La première plaque 41 en combinaison avec les parois du coffre 10 délimitent le 30 premier volume 21, tandis que la seconde plaque 42 en combinaison avec les parois du coffre 10 délimitent le second volume 22. L'entrée d'air 34 du circuit primaire 30 est connectée par une conduite 43 à une ouverture pratiquée sur la paroi inférieure 14 du coffre 10. Cette ouverture est destinée à être en communication avec un circuit d'air conditionné d'un système de climatisation 35 pour le conditionnement de l'air de l'espace passager, à l'intérieur du véhicule ferroviaire. Le circuit primaire admet donc de l'air depuis l'extérieur du coffre. 3040583 4 Avantageusement, le circuit primaire de l'échangeur de chaleur prélève de l'air frais directement dans la salle voyageur du véhicule ferroviaire, et non pas dans la gaine du système de climatisation. Cette configuration permet une réelle économie d'énergie. La sortie d'air 36 est connectée à une ouverture 45 prévue sur la paroi supérieure 5 16 du coffre 10. Le circuit primaire refoule donc l'air à l'extérieur du coffre. L'entrée 34 du circuit primaire est munie d'un ventilateur 35 permettant de créer un flux d'air dans le circuit primaire 30 depuis l'entrée 34, à travers le tunnel 32, jusqu'à la sortie 36. L'air circule donc dans le tunnel 32 selon une direction principale sensiblement parallèle à l'axe Z, dans le sens du bas vers le haut. 10 L'échangeur 30 comporte un premier circuit secondaire 50 et un second circuit secondaire 60. Le premier circuit secondaire 50 permet de faire circuler l'air du premier volume 21 le long d'une portion de la première plaque 41 délimitant le tunnel 32. La première plaque 41 permet donc le transfert de chaleur du premier circuit secondaire 50 vers le circuit 15 primaire 30. Le premier circuit secondaire 50 comporte une entrée 54 permettant d'admettre l'air du premier volume 21, une conduite 52 et une sortie 56 permettant de refouler l'air dans le premier volume 21. L'entrée 54 est munie d'un ventilateur 55 permettant la mise en circulation de l'air 20 dans le premier circuit secondaire 50 de manière à créer un flux se déplaçant, dans la conduite 52, sensiblement verticalement, c'est-à-dire selon la direction principale. De préférence l'entrée 54 est placée selon l'axe Z au-dessus de la sortie 56, de manière à ce que le flux dans le premier circuit secondaire 50 circule dans un sens opposé à celui circulant dans le circuit primaire 30, c'est-à-dire du haut vers le bas. 25 Une description similaire pourrait être faite du second circuit secondaire 60, qui comporte une entrée 64 comportant un ventilateur 65, un conduit de circulation d'air 62 et une sortie 66. La mise en circulation de l'air dans le second circuit secondaire 60 permet d'admettre de l'air du second volume, de la faire circuler dans le conduit 62, et de le refouler dans le second volume 22. 30 Dans le conduit d'air 62, l'air du second volume 22 vient en contact d'une partie de la surface de la seconde plaque 42 délimitant le tunnel 32 du circuit primaire 30. La seconde plaque 42 permet donc le transfert de chaleur du second circuit secondaire 60 vers le circuit primaire 30. Le fait que les premier et second volumes, 21 et 22, soient étanches et que les 35 circuits secondaires 50 et 60 soient indépendants du circuit primaire 30 permet d'éviter l'admission de poussières et d'humidité à l'intérieur du coffre 10. Les composants qui y 3040583 5 sont logés, tels que les premiers composants dans le premier volume 21 et les seconds composants dans le second volume 22, se trouvent donc dans un environnement confiné de nature à augmenter leur durée de vie. Avantageusement, les différents composants logés dans le coffre 10 sont répartis 5 en fonction de leur échauffement au cours de leur utilisation. Par exemple, le premier volume 21 est dédié à des premiers composants ayant une température de fonctionnement basse proche d'une première température T1, tels que les équipements de contrôle/commande du système d'alimentation, tandis que le second volume 22 est dédié à des seconds composants ayant une température de fonctionnement haute proche 10 d'une seconde température T2, tels que les composants de puissance du système d'alimentation. L'échangeur de chaleur 25 est alors dimensionné et les différents ventilateurs 35, 55, 65 peuvent être contrôlés indépendamment les uns des autres, de manière à régler les flux dans le circuit primaire, le premier circuit secondaire et le second circuit 15 secondaire pour régler la température dans le premier volume à la première température T1 et la température dans le second volume à la seconde température T2. En particulier, la vitesse de rotation des ventilateurs est ajustée. Avantageusement, certains éléments de puissance tels que des diodes sont montés directement sur la plaque 42 délimitant le tunnel 32 du circuit primaire 30, la 20 plaque formant, avec le support de la diode, un puits de chaleur. Un tel support est représenté sur la figure 2 et est référencé par le chiffre 80. En dédiant ainsi chacun des premier et second volumes 21 et 22 du coffre 10, il est possible de définir une température cible différente dans chacun des premier et second volumes et par conséquent de régler de manière adaptée les flux du circuit 25 primaire et des premier et second circuits secondaires. Un coffre monté sur le toit d'un véhicule ferroviaire est généralement associé à un pare-soleil 70, destiné à limiter l'échauffement de la paroi supérieure 16 du celui-ci par les rayons solaires. Le pare-soleil 70 recouvre par au-dessus le coffre 10 en ménageant un intervalle avec la paroi supérieure 16 du coffre 10. 30 Avantageusement, la sortie 36 du circuit primaire 30 permet de refouler l'air contre une surface du pare-soleil 70 orientée vers le coffre 10, de manière à créer un flux transversal permettant de mettre en circulation la couche d'air entre le coffre et le pare-soleil, et ainsi refroidir le pare-soleil 70 afin d'augmenter son efficacité. Le coffre venant d'être décrit présente différents avantages. En particulier, pour 35 chaque composant du système d'alimentation, le réglage de la température à une valeur proche de la valeur idéale permet d'augmenter sa durée de vie et augmente sa fiabilité. 3040583 6 L'échangeur de chaleur 25 permet également de limiter les effets d'ensoleillement sur la température du coffre 10. L'homme du métier comprendra que le coffre venant d'être décrit en intégrant un échangeur air/air présentant une efficacité accrue, du fait de sa conception et de sa 5 manière de fonctionner, et de ces dimensions réduites, qui lui permettent d'être placé à l'intérieur du coffre, permet de diminuer l'encombrement global de ce dernier, tout en garantissant un refroidissement optimal des composantes du système d'alimentation en puissance électrique. 10 REVENDICATIONS1.- Coffre (10) d'un système d'alimentation en puissance électrique pour un véhicule ferroviaire, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur (25) du type air/air, subdivisant le coffre en un premier volume (21) et un second volume (22), qui sont étanches l'un par rapport à l'autre, l'échangeur de chaleur comportant : - un circuit primaire (30), comportant un tunnel (32) de circulation d'air, entre une entrée d'air (34) connectée à un ouverture prévue sur une paroi du coffre, propre à admettre de l'air depuis l'extérieur du coffre, et une sortie d'air (36) connectée à une ouverture (45) prévue sur une paroi du coffre, propre à refouler de l'air à l'extérieur du coffre ; - un premier circuit secondaire (50) propre à faire circuler de l'air du premier volume (21) le long d'une première paroi du tunnel (32) du circuit primaire (30), entre une entrée d'air (54), propre à admettre de l'air depuis le premier volume, et une sortie d'air (56), propre à refouler de l'air dans le premier volume ; et, - un second circuit secondaire (60) propre à faire circuler de l'air du second volume (22) le long d'une seconde paroi du tunnel (32) du circuit primaire (30), entre une entrée d'air (64), propre à admettre de l'air depuis le second volume, et une sortie d'air (66), propre à refouler de l'air dans le second volume. 2.- Coffre (10) selon la revendication 1, dans lequel le flux de circulation d'air dans le circuit primaire (30) s'effectue selon un premier sens d'une direction principale (Z), tandis que le flux de circulation d'air dans les premier et second circuits secondaires (50, 60) s'effectue selon un second sens de la direction principale (Z) opposé au premier. 3.- Coffre (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel chacune des entrées et/ou des sorties du circuit primaire (30) et des premier et second circuits secondaires (50, 60) comportent des ventilateurs (35, 55, 65), dont les vitesses de rotation sont propres à être commandées indépendamment les unes des autres. 4.- Coffre (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tunnel (32) du circuit primaire (30) est délimité par deux plaques planes (41, 42) disposées parallèlement et délimitant dans le coffre les premier et second volumes (21, 22). 30 35 3040583 8 5.- Coffre (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit primaire (30) est connecté à un système de conditionnement de l'air du volume intérieur du véhicule ferroviaire. 5 6.- Coffre (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier volume (21) est destiné à loger des composants dont une température de fonctionnement est proche d'une première température et le second volume (22) est destiné à loger des composants dont une température de fonctionnement est proche d'une seconde température, l'échangeur de chaleur étant dimensionné et réguler pour 10 maintenir lesdites première et seconde températures. 7.- Coffre (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, les composants logés dans les premier et second volumes (21, 22) du coffre comportent au moins une diode, ladite diode étant montée sur une paroi du tunnel (32) du 15 circuit primaire (30). 8.- Echangeur de chaleur (25) du type air/air, caractérisé en ce qu'il est destiné à subdiviser un coffre (10) en un premier volume (21) et un second volume (22), qui sont étanches l'un par rapport à l'autre, l'échangeur de chaleur 20 comportant : - un circuit primaire (30), comportant un tunnel (32) de circulation d'air, entre une entrée d'air (34) connectée à un ouverture prévue sur une paroi du coffre, propre à admettre de l'air depuis l'extérieur du coffre, et une sortie d'air (36) connectée à une ouverture (45) prévue sur une paroi du coffre, propre à refouler de l'air à 25 l'extérieur du coffre ; - un premier circuit secondaire (50) propre à faire circuler de l'air du premier volume (21) le long d'une première paroi du tunnel (32) du circuit primaire (30), entre une entrée d'air (54), propre à admettre de l'air depuis le premier volume, et une sortie d'air (56), propre à refouler de l'air dans le premier volume ; et, - un second circuit secondaire (60) propre à faire circuler de l'air du second volume (22) le long d'une seconde paroi du tunnel (32) du circuit primaire (30), entre une entrée d'air (64), propre à admettre de l'air depuis le second volume, et une sortie d'air (66), propre à refouler de l'air dans le second volume. 9.- Ensemble caractérisé en ce qu'il est constitué d'un coffre (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et d'un élément formant pare-soleil (70), le coffre 3040583 9 (10) étant destiné à être implanté sur le toit (12) d'un véhicule ferroviaire et le coffre étant protégé des rayons solaires par le pare-soleil, la sortie du circuit primaire (30) étant disposée de manière à faire circuler l'air refoulé par le circuit primaire (30) contre une surface dudit pare-soleil. 5