Brevet FR3101917A1 — publié le 20210416

La présente invention concerne un le système de refroidissement qui comprend trois circuits fermés de circulation de fluide thermique et un échangeur thermique (2) commun au premier circuit (c1), fonctionnant en haute température et au deuxième circuit (c2), fonctionnant en basse température et un troisième circuit (c3), fonctionnant suivant le cycle de Rankine (ORC), reliant un évaporateur (E) du premier circuit (c1) et un condenseur (C) du deuxième circuit (c2). Figure 4 à publier. Système de refroidissement à radiateur unique Le sujet de l’invention est un système de refroidissement pour un véhicule comprenant un moteur à combustion interne, auquel est adjoint un circuit de récupération de chaleur, en particulier avec une hybridation électrique. Les circuits classiques de refroidissement de moteurs thermiques passent par des équipements tels que des radiateurs pour céder la chaleur acquise par le fluide caloporteur, en traversant le moteur. De tels systèmes sont formés généralement d’un circuit fermé, dans lequel circule un fluide de refroidissement, notamment un mélange d’eau et d’éthylène de glycol. Un tel circuit fermé peut comprendre une pompe, des échangeurs de chaleurs avec le moteur à combustion interne et/ou ses équipements, un thermostat, un radiateur, et un aérotherme. La chaleur dissipée dans les radiateurs est toutefois perdue, et c’est pourquoi des dispositifs plus complets, comprenant encore un circuit récupérateur de chaleur adjoint au circuit de refroidissement, ont aussi été développés. La déposante s’est particulièrement intéressée aux circuits récupérateurs d’énergie thermique à cycle organique de Rankine ou ORC embarqués dans les systèmes de transport préférablement à hybridation électrique comme l’automobile, le poids lourd, le train, les moteurs stationnaires, etc. Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide, appelé fluide de travail ou fluide caloporteur. Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend généralement une pompe compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur surchauffée, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur ou une boucle liquide à basse température, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide. Pour le domaine des moteurs à combustion interne, les cycles de Rankine conventionnels consistent en l’insertion d’une boucle de fluide caloporteur pour la valorisation des pertes thermiques du moteur. En général, cette récupération s’effectue sur les gaz d’échappement et/ou les gaz EGR (recirculation des gaz d’échappement), ou sur le circuit de refroidissement ou sur les deux simultanément. Lorsque cette récupération est réalisée sur le système de refroidissement, l’évaporateur du cycle de Rankine permet un échange de chaleur entre le fluide de refroidissement et le fluide caloporteur du cycle de Rankine. L’évaporateur peut être localisé en général sur la branche de recirculation du circuit de refroidissement en amont du thermostat pour bénéficier de l’ensemble du débit en provenance du moteur ou en aval du thermostat sur la branche radiateur de manière à ne pas perturber la régulation en température du moteur. Dans ces conditions, la récupération doit être contrôlée notamment en condition de moteur à combustion interne froid de manière à ne pas pénaliser la montée en température du moteur, pouvant nuire au rendement de celui-ci en dégradant la consommation et les émissions de polluants pendant cette phase. Une fois le moteur à combustion interne arrivé à température idéale de fonctionnement, le thermostat situé en aval de l’échangeur du circuit de Rankine renvoie vers le radiateur l’excès de calories du circuit de refroidissement non prélevées par le cycle de Rankine. Sur les véhicules légers ou lourds, l’augmentation des besoins de refroidissement et les différents niveaux de température de régulation, à savoir à haute température (HT) de 80 à 100°C pour le moteur thermique et à basse température (BT) de 30 à 60°C pour le moteur électrique, les batteries, organes électriques et l’air de suralimentation, nécessitent l’utilisation de plusieurs circuits de refroidissement dédiés et séparés ainsi que la mise en œuvre de plusieurs radiateurs pour évacuer les calories de chaque circuit en face avant du véhicule. Avec la complexification des véhicules et l’ajout de fonctions nécessitant un refroidissement, l’espace disponible pour loger les radiateurs en face avant est très contraint, et nécessite l’optimisation de l’espace disponible. Bien souvent un radiateur HT et un radiateur BT sont ainsi placés en cascade l’un devant l’autre ou l’un à côté de l’autre avec des effets de masque, ce qui nuit à leur efficacité et laisse peu de possibilité d’augmentation de puissance de refroidissement utile nécessaire en cas d’ajout d’un ORC basse température qui nécessite un refroidissement sur son condenseur. Le document US2018/0064002A1 est relatif à un dispositif de refroidissement à radiateur unique pour véhicule hybride. La solution propose un « split cooling » avec une partie du débit vers le système électrique et une seconde partie vers le moteur thermique. La partie dédiée au refroidissement de la partie électrique est soumise à un changement de phase. Le document US2017/0007575A1 est relatif à un dispositif de radiateur HT et BT partagé. Le radiateur HT est normalement dédié au refroidissement du moteur thermique et le radiateur BT au refroidissement du circuit ORC présent sur le véhicule. Les circuits HT et BT du véhicule sont reliés par une vanne 2 voies permettant un mélange des circuits et un ajustement des débits dans chacun d’eux. Cette vanne d’ajustement est ouverte ou fermée selon les conditions de charge du moteur thermique. Lorsque le moteur est faiblement chargé, la vanne est ouverte, le circuit ORC peut ainsi bénéficier du radiateur BT ainsi que du radiateur HT pour son refroidissement. La surface d’échange est ainsi augmentée par une mutualisation des surfaces. Le dispositif dévoilé dans ce document comprend un radiateur moteur qui peut ainsi être utilisé pour le refroidissement du moteur ou celui de l’ORC grâce à un dispositif de « split cooling » associé à une vanne 2 voies. En général la capacité de refroidissement du radiateur moteur haute température (HT) est surdimensionnée pour l’usage classique d’un usager qui utilise le moteur à charge partielle. Cette puissance maximale d’échange n’est utile que dans des cas critiques de besoins de refroidissement, comme une forte puissance dissipée, couplée à une faible vitesse d’air sur le radiateur et des températures extérieures élevées. Dans les conditions classiques d’utilisation, le moteur thermique est faiblement sollicité et la surface de refroidissement disponible est sous-utilisée. Cette surface d’échange du radiateur HT est prise au détriment du refroidissement BT ou du condenseur ORC du véhicule qui eux sont souvent dimensionnés au plus juste même en condition d’utilisation nominale du véhicule. Les dispositifs de refroidissement selon l’art antérieur présentent l’inconvénient de mettre en œuvre un système de refroidissement complexe et surdimensionné. L’invention consiste à proposer une architecture de refroidissement optimisée avec un radiateur unique pour un moteur thermique préférablement associé à une hybridation électrique et équipé d’un système ORC. Le circuit de refroidissement HT nécessaire pour le fonctionnement du moteur thermique et de l’ORC est ainsi constitué d’un radiateur unique partagé entre le moteur thermique, le circuit ORC et les autres organes présents sur le véhicule et nécessitant un refroidissement BT comme une batterie, une machine électrique, une électronique de puissance, un refroidisseur d’air de suralimentation, etc. Outre les avantages sur l’optimisation de la performance de refroidissement du véhicule, la mutualisation du refroidissement véhicule au sein d’une boucle basse température unique permet de simplifier le circuit de refroidissement du véhicule en présence d’un ORC et d’une possible solution d’hybridation électrique, et donc potentiellement une réduction du coût et de son encombrement et augmenter la fiabilité de l’ensemble. Dans cette configuration, le véhicule dispose ainsi en face avant d’un radiateur unique de grande capacité. Système de refroidissement pour un véhicule comprenant trois circuits fermés de circulation de fluide thermique (c1, c2, c3), le premier circuit (c1) comprenant au moins un moteur thermique (1), un évaporateur, une pompe du premier circuit (P1), un thermostat (T1) et un échangeur thermique (2), le deuxième circuit (c2) comprenant au moins un condenseur, une pompe du deuxième circuit (P2) et un échangeur thermique (21) montés en série, et le troisième circuit (c3), selon le cycle de Rankine, comprenant au moins un évaporateur (E), un condenseur (C), une turbine (T) et une pompe du troisième circuit (P3) montés en série, caractérisé en ce que : -un seul et unique fluide de refroidissement circule dans les premier (c1) et deuxième (c2) circuits, et un fluide de travail circule dans le troisième circuit (c3), -l’échangeur thermique (2) du premier circuit (c1) et l’échangeur thermique (2) du deuxième circuit (c2) est un seul et unique échangeur thermique (2), -au sein dudit évaporateur (E), le fluide de refroidissement du premier circuit (c1) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3), -au sein dudit condenseur (C), le fluide de refroidissement du deuxième circuit (c2) échange de la chaleur avec le fluide de travail du troisième circuit (c3). Système de refroidissement suivant la revendication 1, dans lequel le premier circuit (c1) comprend également un aérotherme (A) et préférablement un bypass de l’aérotherme. Système de refroidissement suivant l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit premier circuit (c1) comprend un bypass de l’évaporateur et ledit deuxième circuit (c2) comprend un bypass du condenseur. Système de refroidissement suivant la revendication 2 dans lequel au sein du premier circuit (c1), l’aérotherme (A) et l’évaporateur (E) sont montés en série ou en parallèle. Système de refroidissement suivant l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième circuit (c2) comprend également au moins un élément à refroidir, notamment un refroidisseur d’air de suralimentation (RAS) et une machine électrique (MEL). Système de refroidissement suivant la revendication 5 dans lequel les différents éléments à refroidir sont montés en série, parallèle ou une combinaison des deux. Système de refroidissement suivant une des revendications précédentes dans lequel les premier, deuxième et troisième circuits (c1, c2, c3) comprennent des valves progressives. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode montée en température, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé et les pompes du premier circuit (P1) et du deuxième circuit (P2) activées. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode mixte, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est fermé et les pompes des trois circuits (P1, P2, P3) sont activées. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant une des revendications 1 à 7 dans laquelle en mode pleine charge, le thermostat (T1) du premier circuit (c1) est ouvert et les pompes des premier et deuxième circuits (P1, P2) sont activées. Méthode d’utilisation du système de refroidissement suivant les revendications 8 à 10 dans laquelle des phases transitoires au sein des trois modes de fonctionnement et entre les trois modes de fonctionnement sont réalisées en faisant varier de manière différenciée les vitesses de rotation des pompes des trois circuits (P1, P2, P3) et en ouvrant de manière progressive le thermostat (T1) du premier circuit (c1). Véhicule, notamment véhicule automobile, comprenant un système de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit échangeur thermique (2) est agencé à proximité d’une arrivée d’air.