Brevet FR3112994A1 — publié le 20220204

Un véhicule (V) comprend un circuit de refroidissement (CR) comportant un premier échangeur de chaleur (EC1) réchauffant de l’air en refroidissant un fluide de refroidissement d’une machine motrice électrique (MM), une pompe à chaleur (PC) comprenant un évaporateur (EV1), un compresseur (CP) et un condenseur (CD) dans lesquels circule un fluide caloporteur, et un circuit de chauffage (CC) comportant un aérotherme (AE) et un second échangeur de chaleur (EC2) dans lesquels circule un fluide caloporteur circulant également dans le condenseur (CD) et traitant ensemble de l’air par échange avec ce fluide caloporteur. Les premier (EC1) et second (EC2) échangeurs de chaleur sont installés en amont du premier évaporateur (EV1) l’un au-dessus de l’autre afin que de l’air réchauffé par ce premier échangeur de chaleur (EC1) alimente le premier évaporateur (EV1) pendant une phase de chauffage sans alimenter le second échangeur de chaleur (EC2) pendant une phase de refroidissement. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 VÉHICULE À INSTALLATION THERMIQUE À PERFORMANCES DE REFROIDISSEMENT OPTIMISÉES Domaine technique de l’invention L’invention concerne les véhicules comprenant une machine motrice électrique refroidie par un circuit de refroidissement et un espace d’accueil alimenté en air traité par un circuit de chauffage couplé à une pompe à chaleur. Etat de la technique Comme le sait l’homme de l’art, certains véhicules, généralement de type automobile, comprennent un groupe motopropulseur (ou GMP) tout électrique ou hybride, et donc comportant au moins une machine motrice électrique alimentée en énergie électrique par au moins une batterie rechargeable. Les véhicules précités sont équipés d’un circuit de refroidissement comportant un premier échangeur de chaleur qui refroidit, par échange avec de l’air extérieur, un fluide de refroidissement destiné à réduire la température de leur machine motrice électrique. Cette réduction est destinée à réduire la consommation d’énergie électrique et donc à augmenter l’autonomie kilométrique tout en réduisant les temps de recharge de la batterie (notamment dans les régions où le climat est chaud). Dans ce cas, le véhicule est aussi généralement équipé d’une pompe à chaleur participant au refroidissement/réchauffement de l’air qui alimente son espace d’accueil (ou habitacle) pour améliorer l’autonomie du véhicule. Cette pompe à chaleur, qui comprend notamment un évaporateur, un compresseur et un condenseur dans lesquels circule un premier fluide caloporteur, présente en effet l’avantage de consommer une quantité d’énergie électrique assez faible et donc réduisant peu l’autonomie du véhicule. Cette pompe à chaleur ayant une capacité de refroidissement (ou réfrigération) insuffisante compte tenu de ses dimensions, il a été proposé de la combiner à un circuit de chauffage comportant un aérotherme dans lequel circule un second fluide caloporteur circulant également dans le condenseur (de la pompe à chaleur) et propre à traiter de l’air par échange avec ce second fluide caloporteur pour alimenter en air traité l’espace d’accueil. On comprendra que le condenseur sert à réchauffer le fluide caloporteur du circuit de chauffage du véhicule pendant une phase de chauffage. Lorsque le véhicule est utilisé en présence de fortes températures, typiquement supérieures à 35°C, la température du second fluide caloporteur devient notablement supérieure à la température de l’air extérieur. Cela ne pose pas de problème au niveau du circuit de chauffage car le véhicule fonctionne exclusivement en mode de refroidissement et donc l’aérotherme n’alimente pas l’espace d’accueil en air traité. Mais cela pose un problème au niveau du circuit de refroidissement (pendant une phase de refroidissement) car la condensation n’est pas optimale au niveau du condenseur du fait que le premier fluide caloporteur a une très haute température (typiquement 100°C en sortie du compresseur) et que le second fluide caloporteur a une température supérieure à celle de l’air extérieur (typiquement + 5°C à + 10°C) en sortie de l’aérotherme. En d’autres termes, les performances de refroidissement (ou réfrigération) sont insuffisantes pour permettre d’atteindre certaines consignes de température choisies par certains passagers ou ne permettent d’atteindre ces consignes de température qu’après de longs délais, ce qui nuit à la qualité perçue du véhicule. Pour éviter cette dégradation on est contraint de complexifier la pompe à chaleur, ce qui s’avère onéreux. L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation. Présentation de l’invention Elle propose notamment à cet effet un véhicule comprenant : - un circuit de refroidissement comportant un premier échangeur de chaleur réchauffant de l’air en refroidissant un fluide de refroidissement d’une machine motrice électrique, - une pompe à chaleur comprenant un premier évaporateur, un compresseur et un condenseur dans lesquels circule un premier fluide caloporteur, et traitant ensemble de l’air par échange avec ce premier fluide caloporteur pour alimenter en air traité un espace d’accueil, et - un circuit de chauffage comportant un aérotherme dans lequel circule un second fluide caloporteur circulant également dans le condenseur et traitant de l’air par échange avec ce second fluide caloporteur pour alimenter en air traité l’espace d’accueil. Ce véhicule se caractérise par le fait : - que son circuit de chauffage comprend entre l’aérotherme et le condenseur un second échangeur de chaleur utilisé pendant une phase de refroidissement de l’air à traiter afin de refroidir le second fluide caloporteur avant qu’il ne circule dans le condenseur, et - que les premier et second échangeurs de chaleur sont installés en amont du premier évaporateur l’un au-dessus de l’autre afin que de l’air réchauffé par ce premier échangeur de chaleur alimente le premier évaporateur pendant une phase de chauffage de l’air à traiter sans alimenter le second échangeur de chaleur pendant une phase de refroidissement de l’air à traiter. Grâce à l’invention, on n’utilise désormais le premier évaporateur que pendant une phase de chauffage car il réchauffe le premier fluide caloporteur issu du condenseur en recevant de l’air venant d’être réchauffé par le premier échangeur de chaleur. Le véhicule selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - sa pompe à chaleur peut comprendre un second évaporateur intercalé entre le compresseur et le premier évaporateur et utilisé à la place de ce dernier pendant chaque phase de refroidissement de l’air à traiter ; - son circuit de chauffage peut comprendre en sortie du condenseur une électrovanne contrôlant soit un accès au second échangeur de chaleur pendant chaque phase de refroidissement de l’air à traiter, soit un accès direct à l’aérotherme pendant chaque phase de chauffage de l’air à traiter ; - son circuit de chauffage peut comprendre entre l’aérotherme et le condenseur un dispositif de chauffage électrique réchauffant le second fluide caloporteur pendant une phase de chauffage de l’air à traiter ; - le second échangeur de chaleur peut être installé au-dessus du premier évaporateur ; - il peut être de type automobile. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : illustre schématiquement et fonctionnellement un véhicule selon l’invention comprenant un exemple de réalisation d’une installation thermique, avec des flèches matérialisant les sens de circulation des différents fluides de refroidissement et caloporteurs pendant une phase de refroidissement de l’air à traiter, et illustre schématiquement et fonctionnellement le véhicule de la figure 1, avec des flèches matérialisant les sens de circulation des différents fluides de refroidissement et caloporteurs pendant une phase de réchauffement de l’air à traiter. Description détaillée de l’invention L’invention a notamment pour but de proposer un véhicule V comprenant un groupe motopropulseur (ou GMP) tout électrique ou hybride et une installation thermique permettant d’optimiser les performances maximales de refroidissement (ou réfrigération) de l’air à traiter. Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le véhicule V est de type automobile. Il s’agit par exemple d’une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de véhicule. En effet, l’invention concerne n’importe quel véhicule comprenant un GMP tout électrique ou hybride et au moins un espace d’accueil de passagers (comme par exemple un habitacle). Ainsi, l’invention concerne tous les véhicules (terrestres (hormis les motocyclettes), maritimes (ou fluviaux), et aériens). Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que le GMP du véhicule V est tout électrique, et donc comprend au moins une machine motrice électrique MM. Mais le GMP pourrait être de type hybride, sous réserve qu’il comprenne au moins une machine motrice électrique et une machine motrice d’un autre type (par exemple thermique). On a schématiquement et fonctionnellement illustré sur les figures 1 et 2 un véhicule V selon l’invention, comprenant un GMP (ici représenté par la seule machine motrice électrique MM), une installation thermique CR, PC et CC, et un espace d’accueil EA (ici un habitacle). La machine motrice électrique MM est alimentée en énergie électrique par au moins une batterie rechargeable BR. L’installation thermique d’un véhicule V selon l’invention comprend au moins un circuit de refroidissement CR, une pompe à chaleur PC et un circuit de chauffage CC. Le circuit de refroidissement CR comprend un premier échangeur de chaleur EC1 chargé de réchauffer de l’air en refroidissant un fluide de refroidissement d’une machine motrice électrique MM. En d’autres termes, ce premier échangeur de chaleur EC1 est chargé de refroidir, par échange avec de l’air extérieur, le fluide de refroidissement qui est destiné à réduire la température de la machine motrice électrique MM. Par exemple, ce fluide de refroidissement peut être de l’eau mélangée à un additif, comme par exemple de l’éthylène glycol ou du propylène glycol. La pompe à chaleur PC comprend notamment un premier évaporateur EV1, un compresseur CP et un condenseur CD dans lesquels circule un premier fluide caloporteur. Le compresseur CP est chargé de chauffer et de pressuriser le fluide de refroidissement qui est issu du premier évaporateur EV1 (éventuellement après avoir traversé un accumulateur AC) dans une phase de chauffage illustrée sur la figure 2, ou bien d’un éventuel second évaporateur (interne) EV2 dans une phase de refroidissement (ou réfrigération) sur laquelle on reviendra plus loin. Ce compresseur CP est de préférence à cylindrée variable. Le condenseur CD est chargé de contribuer au chauffage ou au refroidissement d’un second fluide caloporteur circulant dans le circuit de chauffage CC qui le traverse. On comprendra qu’étant de type fluide/fluide il permet un échange de calories entre les premier et second fluides caloporteurs. Par exemple, ces premier et second fluides caloporteurs peuvent être de l’eau mélangée à un additif, comme par exemple de l’éthylène glycol ou du propylène glycol. Ce condenseur CD est de préférence dimensionné de manière à condenser sensiblement intégralement le premier fluide caloporteur issu du compresseur CP, dans le mode chauffage, de sorte qu’il soit sensiblement intégralement dans une phase liquide et partiellement refroidi lors de l’échange indirect avec le second fluide caloporteur. Cela permet en effet un transfert optimal des calories. Le premier évaporateur EV1 est chargé, dans une phase de chauffage illustrée sur la figure 2, de réchauffer le premier fluide caloporteur qui est issu du condenseur CD (éventuellement via un détendeur DT) par échange avec l’air extérieur, c’est-à-dire absorption de calories contenues dans l’air extérieur. Il délivre alors en sortie un premier fluide caloporteur, en phase gazeuse et légèrement réchauffé, qui est destiné à alimenter le compresseur CP. L’éventuel détendeur DT n’intervient que dans une phase de chauffage illustrée sur la figure 2 et sur laquelle on reviendra plus loin. Il est chargé de dépressuriser le fluide frigorigène qui est issu du condenseur CD, avant qu’il n’alimente le premier évaporateur EV1 dans une phase de chauffage. Il délivre un premier fluide caloporteur refroidi et dépressurisé. Le circuit de chauffage CC comprend au moins un aérotherme AE et un second échangeur de chaleur EC2 dans lesquels circule le second fluide caloporteur qui circule également dans le condenseur CD. Cet aérotherme AE et ce second échangeur de chaleur EC2 sont propres ensemble à traiter de l’air (intérieur et/ou extérieur) par échange avec le second fluide caloporteur pour alimenter en air traité l’espace d’accueil EA. Ce circuit de chauffage CC sert donc à refroidir le premier fluide caloporteur pendant une phase de refroidissement (ou réfrigération) illustrée sur la figure 1 et à réchauffer l’air à traiter pendant une phase de chauffage illustrée sur la figure 2. On comprendra que l’objectif de ce second échangeur de chaleur EC2 est d’abaisser le plus possible la température du second fluide caloporteur pendant une phase de refroidissement afin que la différence de température entre les premier et second fluides caloporteurs soit la plus grande possible dans le condenseur CD pour optimiser le transfert de calories du premier fluide caloporteur vers le second fluide caloporteur, et ainsi induire un refroidissement par condensation du premier fluide caloporteur le plus important possible. Certes, lors du passage dans le condenseur CD la température du second fluide caloporteur augmente notablement, mais elle se stabilise rapidement (typiquement à environ 75°C lorsque la température du premier fluide caloporteur est d’environ 100°C et que la température de l’air extérieur est de 45°C), ce qui est sans conséquence sur l’air traité qui alimente l’espace d’accueil EA puisqu’il ne provient que de la pompe à chaleur PC. On entend ici par « aérotherme » un échangeur de chaleur de type air/fluide. Les premier EC1 et second EC2 échangeurs de chaleur sont installés en amont du premier évaporateur EV1 l’un au-dessus de l’autre. Ainsi, l’air qui est réchauffé par le premier échangeur de chaleur EC1 alimente le premier évaporateur EV1 pendant une phase de chauffage de l’air à traiter sans alimenter le second échangeur de chaleur EC2 pendant une phase de refroidissement de l’air à traiter. Grâce à l’invention, on n’utilise le premier évaporateur EV1 que pendant une phase de chauffage afin qu’il puisse réchauffer le premier fluide caloporteur issu du condenseur CD, ce qui est favorisé par le fait qu’il reçoit de l’air qui a été réchauffé au niveau du premier échangeur de chaleur EC1. En revanche, pendant une phase de refroidissement le premier évaporateur EV1 n’est pas utilisé car il induirait une dégradation des performances maximales de refroidissement (ou réfrigération) de sa pompe à chaleur PC et donc du circuit de chauffage CC du fait de la réception d’un air réchauffé au niveau du premier échangeur de chaleur EC1. En fait, pendant une phase de refroidissement c’est le second échangeur de chaleur EC2 qui est utilisé car il est placé au-dessus ou au-dessous du premier échangeur de chaleur EC1 et donc reçoit un air dont la température est à priori plus faible que celle de l’air réchauffé au niveau du premier échangeur de chaleur EC1. On notera que dans l’exemple illustré non limitativement sur les figures 1 et 2 le second échangeur de chaleur EC2 est installé au-dessus du premier évaporateur EV1. Mais dans une variante de réalisation non illustrée le second échangeur de chaleur EC2 pourrait être installé en-dessous du premier évaporateur EV1. Le circuit de chauffage CC fonctionne donc en « circuit court » (sans le second échangeur de chaleur EC2) pendant une phase de chauffage, et en « circuit long » (avec le second échangeur de chaleur EC2) pendant une phase de refroidissement (ou réfrigération). De préférence, les premier EC1 et second EC2 échangeurs de chaleur et le premier évaporateur EV1 sont installés dans ce que l’homme de l’art appelle la façade avant du véhicule V, là où l’air extérieur pénètre dans la partie la plus avant (ou amont) du compartiment moteur. On comprendra qu’une partie amont du véhicule V reçoit de l’air avant une partie aval de ce dernier (V) lorsque le véhicule V avance. On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que la pompe à chaleur PC peut comprendre un second évaporateur EV2 intercalé entre son compresseur CP et son premier évaporateur EV1 et utilisé à la place de ce dernier (EV1) pendant au moins chaque phase de refroidissement de l’air à traiter. A cet effet, la pompe à chaleur PC comprend une branche de dérivation ou « bypass » BD entre la sortie du condenseur CD (ou de l’éventuel détendeur DT) et l’entrée de l’éventuel second évaporateur EV2 afin de permettre au premier fluide caloporteur d’aller directement vers ce dernier (EV2) sans passer par le premier évaporateur EV1, et une électrovanne V1 contrôlant l’accès du premier fluide caloporteur à cette branche de dérivation BD ou au premier évaporateur EV1. Comme illustré non limitativement sur la figure 2, ce second évaporateur EV2 peut être aussi éventuellement utilisé pendant une phase de chauffage de l’air à traiter, en complément du premier évaporateur EV1. On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que le circuit de chauffage CC peut comprendre en sortie du condenseur CD une électrovanne V2 contrôlant soit un accès au second échangeur de chaleur EC2 pendant chaque phase de refroidissement de l’air à traiter, soit un accès direct à l’aérotherme AE (sans passer par le second échangeur de chaleur EC2) pendant chaque phase de chauffage de l’air à traiter. En d’autres termes, le circuit de chauffage CC comprend une première sous-partie SP1 comprenant l’aérotherme AE et traversant le condenseur CD, et une seconde sous-partie SP2 comprenant le second échangeur de chaleur EC2. Dans une phase de réchauffement, on fait circuler le second fluide caloporteur seulement dans la première sous-partie SP1 (circuit court) afin d’éviter que le premier évaporateur EV1 reçoive de l’air extérieur refroidi par le second échangeur de chaleur EC2. Dans une phase de refroidissement, on fait circuler le second fluide caloporteur non seulement dans la première sous-partie SP1 mais également dans la seconde sous-partie SP2 (circuit long) car le premier évaporateur EV1 n’est pas utilisé et donc ne sera pas influencé par l’air issu du second échangeur de chaleur EC2. On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que le circuit de chauffage CC peut comprendre entre son aérotherme AE et le condenseur CD un dispositif de chauffage électrique DC réchauffant le second fluide caloporteur pendant une phase de chauffage de l’air à traiter. On comprendra que ce dispositif de chauffage électrique DC est utilisé en tant qu’appoint lorsque la température de consigne de l’air traité (alimentant l’espace d’accueil EA) est très élevée par rapport à la température de l’air extérieur et/ou lorsque l’on a besoin de conditionner très rapidement l’espace d’accueil EA. Par exemple, ce dispositif de chauffage électrique DC peut comprendre au moins une résistance chauffante, éventuellement de type CTP (« Coefficient de Température Positif »). On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2 que la première sous-partie SP1 du circuit de chauffage CC peut comprendre une pompe électrique PE, par exemple installée entre la sortie du condenseur CD et l’aérotherme AE, et permettant de faire circuler le second fluide caloporteur dans les première SP1 et seconde SP2 sous-parties. Véhicule (V) comprenant i) un circuit de refroidissement (CR) comportant un premier échangeur de chaleur (EC1) réchauffant de l’air en refroidissant un fluide de refroidissement d’une machine motrice électrique (MM), ii) une pompe à chaleur (PC) comprenant un premier évaporateur (EV1), un compresseur (CP) et un condenseur (CD) dans lesquels circule un premier fluide caloporteur et traitant ensemble de l’air par échange avec ce premier fluide caloporteur pour alimenter en air traité un espace d’accueil (EA), et iii) un circuit de chauffage (CC) comportant un aérotherme (AE) dans lequel circule un second fluide caloporteur circulant également dans ledit condenseur (CD) et propre à traiter de l’air par échange avec ce second fluide caloporteur pour alimenter en air traité ledit espace d’accueil (EA), caractérisé en ce que ledit circuit de chauffage (CC) comprend entre ledit aérotherme (AE) et ledit condenseur (CD) un second échangeur de chaleur (EC2) utilisé pendant une phase de refroidissement de l’air à traiter afin de refroidir ledit second fluide caloporteur avant qu’il ne circule dans ledit condenseur (CD), et en ce que lesdits premier (EC1) et second (EC2) échangeurs de chaleur sont installés en amont dudit premier évaporateur (EV1) l’un au-dessus de l’autre afin que de l’air réchauffé par ce premier échangeur de chaleur (EC1) alimente ledit premier évaporateur (EV1) pendant une phase de chauffage dudit air à traiter sans alimenter ledit second échangeur de chaleur (EC2) pendant une phase de refroidissement dudit air à traiter. Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pompe à chaleur (PC) comprend un second évaporateur (EV2) intercalé entre ledit compresseur (CP) et ledit premier évaporateur (EV1) et utilisé à la place de ce dernier (EV1) pendant chaque phase de refroidissement de l’air à traiter. Véhicule selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit circuit de chauffage (CC) comprend en sortie dudit condenseur (CD) une électrovanne (V2) contrôlant soit un accès audit second échangeur de chaleur (EC2) pendant chaque phase de refroidissement de l’air à traiter, soit un accès direct audit aérotherme (AE) pendant chaque phase de chauffage de l’air à traiter. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit de chauffage (CC) comprend entre ledit aérotherme (AE) et ledit condenseur (CD) un dispositif de chauffage électrique (DC) réchauffant ledit second fluide caloporteur pendant une phase de chauffage de l’air à traiter. Véhicule selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit second échangeur de chaleur (EC2) est installé au-dessus dudit premier évaporateur (EV1). Véhicule selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est de type automobile.