Brevet FR3116327A1 — publié le 20220520

L’invention concerne une installation de réchauffage (10) d’un fluide d’un organe de véhicule comprenant un moteur thermique (2) dans lequel peut circuler un fluide et un circuit de réchauffage (1) dudit fluide, dans laquelle le circuit de réchauffage (1) comprend un module de stockage thermique (4) par chaleur latente et une pompe (3) reliée fluidiquement en série avec ledit module (4), la pompe (3) étant configurée pour mettre en circulation ledit fluide dans le circuit de réchauffage (1), le fluide entrant dans le circuit de réchauffage (1) via une canalisation d’entrée (6) et sortant du circuit de réchauffage (1) via une canalisation de sortie (7), un transfert thermique s’opérant entre le fluide et le module de stockage thermique (4) lors de sa circulation à l’intérieur du circuit de réchauffage (1). Figure 1 Installation de réchauffage d’un fluide d’un organe de véhicule L’invention concerne une installation de réchauffage d’un fluide d’un organe de véhicule, ledit fluide pouvant être par exemple l’huile de lubrification d’un moteur ou d’une boîte de vitesse ou un fluide caloporteur de thermorégulation pour une batterie électrique. En raison de valeurs de contrôle des émissions toujours plus strictes, le contrôle des émissions des moteurs à combustion interne est d'une grande importance. Il a été montré que les émissions de particules polluantes sont accrues dans la phase de démarrage à froid du moteur du fait de son fonctionnement à une température inférieure à celle lui permettant un fonctionnement optimal. Durant cette phase, l’huile de lubrification qui se trouve à une température froide l’empêche d’avoir la fluidité optimale pour la lubrification des pièces mobiles du moteur. Une meilleure fluidité de l’huile de lubrification assure un meilleur rendement du moteur et donc permet de réduire les émissions de CO2 et de particules fines. Ce constat s’applique de la même façon pour d’autres fluides circulant dans un organe de véhicule, comme l’huile de de lubrification de la boîte de vitesses ou le fluide caloporteur de thermorégulation de la batterie électrique. Plusieurs solutions connues peuvent être mises en œuvre pour accélérer, lors d’un démarrage à froid, la montée en température de tels fluides. L’une de ces solutions consistent par exemple à opérer un échange thermique entre le fluide et un volume de fluide caloporteur stocké à une température élevée dans un réservoir isotherme. Cette solution présente toutefois l’inconvénient de nécessiter un réservoir à la fois encombrant et lourd pour stocker le fluide caloporteur, ce qui accroît de manière exagérée le poids du véhicule. Par ailleurs, un fluide chaud stocké dans un réservoir va libérer son énergie en chaleur sensible. Il peut donc en résulter une perte d’énergie non négligeable si le réservoir n’est pas totalement isotherme. L’invention vise donc à proposer une installation de réchauffage d’un fluide d’un organe de véhicule ne présentant pas les inconvénients précités. A cet effet, la présente invention propose une installation de réchauffage d’un fluide d’un organe de véhicule comprenant un moteur thermique dans lequel peut circuler un fluide et un circuit de réchauffage dudit fluide, dans laquelle le circuit de réchauffage comprend un module de stockage thermique par chaleur latente et une pompe reliée fluidiquement en série avec ledit module, la pompe étant configurée pour mettre en circulation ledit fluide dans le circuit de réchauffage, le fluide entrant dans le circuit de réchauffage via une canalisation d’entrée et sortant du circuit de réchauffage via une canalisation de sortie, un transfert thermique s’opérant entre le fluide et le module de stockage thermique lors de sa circulation à l’intérieur du circuit de réchauffage. Ainsi configuré, l’installation de la présente invention permet une montée en température rapide dudit fluide, notamment lors de la phase de démarrage à froid du moteur, en apportant des calories préalablement stockées dans un module de stockage thermique par chaleur latente. Dans la présente demande, le terme « module de stockage thermique par chaleur latente » désigne tout système dans lequel de la chaleur peut être stockée en provoquant un changement de phase dans un matériau. Dans un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le module de stockage thermique par chaleur latente comprendra au moins un composant adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, ledit composant comprenant un matériau à changement de phase. On appelle « matériau à changement de phase » dans la présente demande tout matériau capable de changer d'état physique dans une plage de températures restreinte. Lors du transfert thermique, le matériau à changement de phase peut stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante, celle du changement d’état. L’utilisation d’un tel matériau à changement de phase permet ainsi d’augmenter de 4 à 5 fois la capacité de stockage thermique pour un même volume donné par comparaison avec un stockage thermique fonctionnant à base de matériau à échange de chaleur sensible (tel que de l’eau à l’état liquide) dans une capacité isotherme par exemple. La solution de l’invention présente l’avantage additionnel de permettre un rechargement du module de stockage thermique, une fois celui-ci déchargé, par transfert de chaleur entre le fluide réchauffé par le fonctionnement habituel du moteur thermique (après sa phase de démarrage à froid) et le matériau à changement de phase. De plus, l’utilisation d’un matériau à changement de phase permet de conserver une quantité de chaleur importante pendant plusieurs heures, même en l’absence de circulation d’un fluide chaud. L’énergie thermique emmagasinée peut avantageusement être réutilisée ultérieurement, par exemple pour replacer à nouveau très rapidement le moteur thermique à sa température optimale lors d’un redémarrage après une nuit ou une journée passée à l’arrêt. Selon d’autres caractéristiques, l’installation selon l’invention comporte une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes seules ou selon toutes combinaisons possibles : - le module de stockage thermique comprend au moins un composant adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, ledit composant comprenant un matériau à changement de phase. - le matériau à changement de phase est un matériau homogène choisi parmi la paraffine, un mélange d’acides gras, ou un mélange à base de résines thermoplastiques polyéthylène. L’utilisation de la paraffine communément appelée « paraffine solide » est particulièrement indiquée pour le moteur thermique car la température du changement de phase solide / liquide est comprise dans une plage d’environ 20-100°C, proche de la température optimale de fonctionnement du fluide. D’autres matières à changement de phases peuvent être utilisées selon les plages de température et les conditions d’utilisation recherchées. Par exemple, dans les capsules à cire présentes dans les thermostats, le matériau à changement de phase est un mélange à base de résine thermoplastique polyéthylène. Ces résines permettent de couvrir des plages de température au-delà de 75°C. - ledit au moins un composant consiste en une capsule, par exemple de forme cylindrique, enveloppant un matériau à changement de phase. - la pompe est une pompe électrique. Selon une variante de réalisation, la pompe est une pompe mécanique, interne au moteur thermique. - Le module de stockage thermique est constitué d’une enveloppe thermiquement isolante contenant un volume de matériau à changement de phase en contact avec la surface externe d’un échangeur. - le module de stockage thermique comprend un échangeur thermique à ailettes ou à plaques. L'avantage lié à ce type d'échangeur à ailettes est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux, peu encombrant et facilement adaptable par ajout ou retrait d’ailettes afin d'augmenter ou réduire la surface d'échange en fonction des besoins. En effet, en accroissant le nombre d’ailettes ou de plaques et en accroissant la surface d'échange, il est possible d’améliorer l’efficacité de l’échangeur. Par ailleurs, la surface en contact avec l'extérieur est réduite au minimum, ce qui permet de limiter les pertes thermiques. L’échangeur à ailettes ou à plaques est ainsi modulable et présente un encombrement réduit. - les ailettes ou les plaques de l’échangeur sont avantageusement choisies dans un matériau thermiquement conducteur tel que le cuivre ou l’aluminium pour des transferts thermiques optimaux. - les ailettes ou les plaques de l’échangeur sont réalisées dans un matériau plastique thermiquement conducteur, permettant d’optimiser la forme et la taille de l’échangeur par rapport à l’espace disponible au sein du groupe motopropulseur. - le moteur thermique comprend un carter contenant le fluide et dans lequel débouche les canalisations d’entrée et de sortie, et une conduite d’aspiration configurée pour relier fluidiquement le carter à des pièces mobiles du moteur thermique. - la canalisation de sortie débouche dans le carter à une faible distance de la conduite d’aspiration, notamment de l’ordre de 1 cm maximum. - la canalisation de sortie débouche directement sur la conduite d’aspiration. Cette configuration particulière permet de réduire la perte thermique du fluide lors du passage entre la canalisation de sortie et la conduite d’aspiration, cette perte pouvant être limitée à environ 5°C au maximum. - le circuit de réchauffage est disposé intégralement à l’intérieur du carter du moteur thermique. Cette configuration particulière permet de gagner en compacité et de limiter les pertes thermiques avec l’extérieur de la boucle de circulation car elle assure le meilleur confinement possible. - le fluide est une huile de lubrification pour moteur ou pour boite de vitesses, ou un fluide caloporteur de thermorégulation pour batterie électrique, ou un liquide de refroidissement, par exemple un mélange d’eau et de glycol. - l’installation comprend en outre une sonde de température configurée pour mesurer la température du fluide dans le moteur thermique, un circuit de refroidissement configuré pour refroidir le fluide, et un dispositif de commande configuré pour communiquer avec la sonde de température et commander la circulation du fluide dans le circuit de refroidissement lorsque la température mesurée par la sonde de température est supérieure à une température seuil prédéterminée, de sorte à refroidir le fluide. Avantageusement, lors du fonctionnement en phase de démarrage à froid du moteur thermique, le module de transfert thermique permet de réchauffer le fluide pour l’amener à la température optimale de fonctionnement. Une fois que le fluide a atteint une valeur optimale déterminée supérieure à la température de seuil, sa chaleur permet à son tour un transfert thermique vers le matériau à changement de phase qui a été refroidi par l’échange initial. Le module de transfert thermique est ainsi rechargé et le matériau à changement de phase revient à sa température maximale. Lorsque la température du fluide atteint une valeur de température seuil prédéterminée, le fluide est amené à circuler dans un circuit de refroidissement, distincte du module de stockage thermique. Le circuit de refroidissement du moteur thermique comprend un échangeur thermique de refroidissement configuré pour le refroidissement du fluide destiné à circuler dans le moteur thermique, l’échangeur thermique de refroidissement étant relié fluidiquement à une pompe configurée pour entrainer la circulation du fluide depuis le moteur thermique vers l’échangeur thermique de refroidissement de sorte à refroidir le fluide lorsque la température du moteur thermique dépasse une température déterminée. - l’installation peut comprendre de plus un circuit secondaire configuré pour la circulation d’un fluide pour batterie dans une unité de batteries d’un moteur électrique, et monté en dérivation sur le circuit de réchauffage, le circuit secondaire comprenant une unité de batteries d’un moteur électrique, le module de stockage thermique, et une pompe électrique reliée fluidiquement en série au module de stockage thermique, dans laquelle le module de stockage thermique est configuré pour opérer un échange thermique avec le fluide pour batterie, la pompe électrique étant configurée pour mettre en circulation le fluide pour batterie dans le circuit secondaire entre le module de stockage thermique et l’unité de batteries afin de réchauffer l’unité de batteries et maintenir sa température dans une plage de températures déterminée. Le module de stockage thermique peut ainsi être utilisé pour un échange thermique avec un autre fluide que de l’huile pour moteur. Dans les véhicules hybrides notamment, il est nécessaire de maintenir la température de l’huile de refroidissement de l’unité de batteries du moteur électrique en permanence à une valeur comprise, par exemple, entre 15 °C et 30 °C afin d'obtenir la capacité maximale et d'assurer une durée de vie la plus longue possible. Si les températures sont trop basses, l’huile de refroidissement est classiquement chauffée par un chauffage auxiliaire, par exemple un chauffage à haute tension. Ainsi la présente invention propose une utilisation du module de stockage thermique pour un transfert thermique vers un fluide circulant dans une batterie d’un moteur électrique. L’invention sera davantage comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre, faite en référence aux figures ci-annexées. est une vue schématique d’une installation de réchauffage selon un premier mode de réalisation de l’invention, est une vue schématique d’une installation de réchauffage selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, et est une vue schématique d’une installation de réchauffage selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Comme illustré sur la , une installation de réchauffage 10 selon un premier mode de réalisation de l’invention comprend un moteur thermique 2 et un circuit de réchauffage 1 pour fluide comprenant une pompe 3 et un module de stockage thermique 4. Ladite pompe 3 est avantageusement une pompe électrique et permet de pomper un fluide, ici une huile de lubrification pour moteur, stocké dans un carter 5 du moteur thermique 2 à l’intérieur du circuit de réchauffage 1 par l’intermédiaire d’une canalisation d’entrée 6 débouchant à une première extrémité dans le carter 5 et à une deuxième extrémité dans le module de stockage thermique 4. Cette pompe 3 est également configurée pour mettre en circulation le fluide à travers le module de stockage thermique 4, puis dans une canalisation de sortie 7 du circuit de réchauffage 1 débouchant à une première extrémité dans le module de stockage thermique 4 et à une deuxième extrémité dans le carter 5 du moteur thermique 2. Le module de stockage thermique 4 comprend un matériau à changement de phase (MCP). Ce matériau est configuré pour réaliser des transferts thermiques en changeant de phase (solide-liquide notamment). Le matériau MCP permet ainsi de céder des calories au fluide lorsqu’il change de phase. Il permet également d’emmagasiner des calories en provenance du moteur thermique 2 en fonctionnement lorsque le module de stockage thermique 4 doit être rechargé, le fluide servant de vecteur thermique. Selon une configuration particulière de l’invention, le matériau MCP est de la paraffine qui présente une température de changement d’état comprise dans une plage de 20 à 100 °C. Il est connu, qu’à partir de 60°C, l’huile de lubrification moteur atteint un indice de fluidité suffisant pour améliorer de manière significative les performances du moteur thermique. L’objectif de ce dispositif est donc d’amener l’huile de lubrification le plus rapidement possible au-dessus de 60°C. Selon une autre configuration particulière de l’invention, le matériau MCP est un mélange d’acides gras ou un matériau multicouche permettant le confinement du matériau MCP et une diffusion homogène rapide de la température pour entrainer un changement de phase homogène du MCP. Selon une autre configuration particulière de l’invention, le module de stockage thermique 4 se présente sous la forme d’un échangeur à ailettes ou à plaques qui permet une grande modularité selon la puissance du transfert thermique en ajoutant ou en retirant des ailettes ou des plaques, de préférence réalisées dans un matériau thermiquement conducteur tel que le cuivre ou l’aluminium, ou encore dans un matériau plastique thermiquement conducteur. Comme représenté sur la , le moteur thermique 2 comprend un carter 5 dans lequel est stocké une quantité de fluide. Ce carter 5 est muni d’une première ouverture 51 permettant le passage de la canalisation d’entrée 6 du circuit de réchauffage 1, et d’une deuxième ouverture 52 pour le passage de la canalisation de sortie 7 du circuit de réchauffage 1. Une conduite d’aspiration 8 débouche également dans le carter 5. Cette conduite d’aspiration 8 permet de relier fluidiquement en série le carter 5 et les pièces mobiles du moteur 2. La canalisation de sortie 7 est disposée de telle sorte que le fluide provenant du circuit de réchauffage 1 pénètre dans le carter 5 à une faible distance de la conduite d’aspiration 8, de l’ordre de 1 cm maximum. De préférence, la canalisation de sortie 7 pourra déboucher directement sur la conduite d’aspiration 8 de sorte que le fluide est tout de suite aspiré par la conduite 8 et ne subit pas de refroidissement avant d’atteindre les pièces mobiles du moteur 2. Selon une variante de réalisation non illustrée sur les figures, le module de stockage thermique 4 pourra être entièrement disposé à l’intérieur du carter 5. Ainsi les pertes thermiques liées aux distances à parcourir par le fluide seront drastiquement limitées. Le module de stockage thermique 4 devra être isolé thermiquement (comme une bouteille thermos) afin de réduire les pertes par convection. Lorsque ce module de stockage thermique 4 est monté en immersion dans le carter du moteur thermique, le matériau à changement de phase du module de stockage thermique 4 est isolé thermiquement du volume de fluide froid du carter, par exemple au moyen d’une enveloppe ou d’une gaine thermiquement isolante. En référence à la , il est représenté une installation de réchauffage 10 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Cette installation 10 se distingue de celle de la par le fait qu’elle est munie en plus d’un circuit de refroidissement 9 destiné au refroidissement du fluide lorsque le moteur 2 est chaud. Le moteur thermique 2 comprend également une sonde de température 11 configurée pour mesurer la température du fluide dans le moteur thermique 2. L’installation de réchauffage 10 est également munie d’un dispositif de commande 12 configuré pour communiquer avec la sonde de température 11 et commander la circulation du fluide dans le circuit de refroidissement 9 lorsque la valeur de température mesurée par la sonde de température 11 est supérieure à une valeur de température seuil prédéterminée, de sorte à refroidir le fluide. Avantageusement, le circuit de refroidissement 9 est relié fluidiquement en série à la conduite d’aspiration 8. Les circuits de réchauffage 1 et de refroidissement 9 sont ainsi séparés de sorte que le module de stockage thermique 4 ne risque pas d’être déchargé par la circulation d’un fluide en passe d’être refroidi par le circuit de refroidissement 9. Selon une troisième mode de réalisation représenté sur la , l’installation de réchauffage 10 diffère de celle de la par le fait qu’elle comprend également un circuit secondaire 13 configuré pour la circulation d’un fluide pour batterie dans une unité de batteries 14 d’un moteur électrique 17. Le circuit secondaire 13 comprend une unité de batteries 14 d’un moteur électrique 17, le module de stockage thermique 4 relié en parallèle au circuit de réchauffage 1 du fluide pour le moteur thermique 2, et une pompe électrique 15 reliés fluidiquement en série. Le circuit de réchauffage 1 et le circuit secondaire 13 sont montés en dérivation de sorte à pouvoir partager le module de stockage thermique 4. Ce mode de réalisation diffère également de celui illustré sur la , par le fait que le circuit de réchauffage 1 forme une boucle fermée, les canalisations d’entrée 6 et de sortie 7 étant reliées entre elles par une canalisation intermédiaire 16 s’étendant à travers le carter 5 entre la première ouverture 51 et la deuxième ouverture 52. Dans le circuit secondaire 13, le module de stockage thermique 4 est configuré pour un transfert thermique avec le fluide pour batterie, par exemple une huile, la pompe électrique 15 étant configurée pour mettre en circulation le fluide pour batterie dans le circuit secondaire 13 entre le module de stockage thermique 4 et l’unité de batteries 14. Il est ainsi possible de réchauffer l’unité de batteries 14 et de maintenir sa température dans une plage de températures déterminée grâce au module de stockage thermique 4, au lieu d’utiliser un dispositif de chauffage externe. Ainsi lorsque le dispositif de commande 12 a commandé la circulation du fluide du moteur thermique 2 dans le circuit de refroidissement 9 pour le refroidir, il coupe l’accès du fluide pour moteur au module de stockage thermique 4 rechargé au préalable. La chaleur emmagasinée dans le module de stockage thermique 4 est alors disponible pour le circuit secondaire 13 qui permet un transfert de chaleur vers l’unité de batteries 14 via le fluide pour batterie. Ainsi configurée, la présente invention propose une solution efficace et peu couteuse pour réduire la durée du démarrage à froid d’un moteur thermique 2 grâce à un module de stockage thermique 4 fonctionnant avec un matériau à changement de phase. Ce module de stockage thermique 4 peu encombrant peut également être utilisé dans un véhicule hybride électrifié (véhicule hybride ou 100% électrique) dont l’unité de batteries 14 a besoin d’être thermorégulée. Installation de réchauffage (10) d’un fluide d’un organe de véhicule comprenant un moteur thermique (2) dans lequel peut circuler un fluide et un circuit de réchauffage (1) dudit fluide, dans laquelle le circuit de réchauffage (1) comprend un module de stockage thermique (4) par chaleur latente et une pompe (3) reliée fluidiquement en série avec ledit module (4), la pompe (3) étant configurée pour mettre en circulation ledit fluide dans le circuit de réchauffage (1), le fluide entrant dans le circuit de réchauffage (1) via une canalisation d’entrée (6) et sortant du circuit de réchauffage (1) via une canalisation de sortie (7), un transfert thermique s’opérant entre le fluide et le module de stockage thermique (4) lors de sa circulation à l’intérieur du circuit de réchauffage (1). Installation (10) selon la revendication 1, dans laquelle le module de stockage thermique (4) comprend au moins un composant adapté pour stocker et libérer une quantité déterminée de chaleur, ledit composant comprenant un matériau à changement de phase. Installation (10) selon la revendication 2, dans laquelle le matériau à changement de phase est un matériau homogène choisi parmi la paraffine, un mélange d’acides gras, ou un mélange à base de résines thermoplastiques polyéthylène. Installation (10) selon la revendication 2, dans laquelle ledit au moins un composant consiste en une capsule enveloppant un matériau à changement de phase. Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la pompe (3) est une pompe électrique. Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le module de stockage thermique (4) comprend un échangeur thermique à ailettes ou à plaques. Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le moteur thermique (2) comprend : - un carter (5) contenant le fluide et dans lequel débouche les canalisations d’entrée et de sortie (6, 7), et - une conduite d’aspiration (8) configurée pour relier fluidiquement le carter (5) à des pièces mobiles du moteur thermique (2). Installation (10) selon la revendication 7, dans laquelle la canalisation de sortie (7) débouche dans le carter (5) à une faible distance de la conduite d’aspiration (8), notamment de l’ordre de 1 cm maximum. Installation (10) selon la revendication 7, dans laquelle la canalisation de sortie (7) débouche directement sur la conduite d’aspiration (8). Installation (10) selon l’une des revendications 7 à 9, dans laquelle le circuit de réchauffage (1) est disposé intégralement à l’intérieur du carter (5) du moteur thermique (2). Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle le fluide est une huile de lubrification pour moteur ou pour boite de vitesses, ou un fluide caloporteur de thermorégulation pour batterie électrique, ou un liquide de refroidissement, par exemple un mélange d’eau et de glycol. Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 11, comprenant en outre : - une sonde de température (11) configurée pour mesurer la température du fluide dans le moteur thermique (2), - un circuit de refroidissement (9) configuré pour refroidir le fluide, et - un dispositif de commande (12) configuré pour communiquer avec la sonde de température (11) et commander la circulation du fluide dans le circuit de refroidissement (9) lorsque la température mesurée par la sonde de température (11) est supérieure à une température seuil prédéterminée, de sorte à refroidir le fluide. Installation (10) selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant de plus un circuit secondaire (13) configuré pour la circulation d’un fluide pour batterie dans une unité de batteries (14) d’un moteur électrique (17), et monté en dérivation sur le circuit de réchauffage (1), le circuit secondaire (13) comprenant : - une unité de batteries (14) d’un moteur électrique (17), - le module de stockage thermique (4), et - une pompe électrique (15) reliée fluidiquement en série au module de stockage thermique (4), dans laquelle le module de stockage thermique (4) est configuré pour opérer un échange thermique avec le fluide pour batterie, la pompe électrique (15) étant configurée pour mettre en circulation le fluide pour batterie dans le circuit secondaire (13) entre le module de stockage thermique (4) et l’unité de batteries (14) afin de réchauffer l’unité de batteries (14) et maintenir sa température dans une plage de températures déterminée.