Brevet FR3117093A1 — publié le 20220610

Système de propulsion électrique d’un aéronef. Le système de propulsion électrique (3) d’un aéronef (1) comprend un générateur électrique (10) ainsi qu’un dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique. Il comprend en outre au moins un moteur thermoacoustique (20) et un circuit caloporteur (23, 24) configuré pour transporter vers le moteur thermoacoustique de la chaleur dissipée par le générateur électrique. Le dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique est au moins partiellement alimenté en énergie par de l’énergie issue du moteur thermoacoustique (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Système de propulsion électrique d’un aéronef. L’invention est relative au domaine des aéronefs comportant un système de propulsion électrique. Un tel système de propulsion comprend un générateur électrique. Selon différentes variantes, le générateur électrique comprend un alternateur couplé à un moteur thermique, un ensemble de batteries électriques ou encore un ensemble de piles à combustible (« fuel cells » en anglais). Le générateur électrique utilise généralement des composants électroniques de puissance, par exemple pour convertir des niveaux de tension d’un courant électrique produit par ce générateur. Ces composants électroniques dissipent une quantité importante de chaleur. Il en résulte qu’il est nécessaire de refroidir ces composants électroniques au moyen d’un dispositif de refroidissement afin de permettre leur bon fonctionnement. Toutefois, il est nécessaire de fournir de l’énergie au dispositif de refroidissement pour permettre son fonctionnement. Afin d’améliorer les performances du système de propulsion, il serait souhaitable de réduire la quantité d’énergie qu’il est nécessaire de fournir au dispositif de refroidissement. De même, lorsque le générateur électrique utilise un ensemble de piles à combustible, ces piles à combustible dissipent une quantité importante de chaleur. Un circuit de refroidissement, contenant un liquide de refroidissement, leur est associé pour évacuer cette chaleur. De façon connue, le liquide de refroidissement est lui-même refroidi dans un échangeur thermique implanté dans une canalisation d’air (« Ram Air » en anglais) alimentée par de l’air extérieur à l’aéronef lorsque celui-ci est en vol. Dans certaines phases d’utilisation de l’aéronef, en particulier lorsque celui-ci est au sol ou en phase de décollage, le refroidissement du liquide de refroidissement au moyen de l’échangeur de chaleur peut ne pas être suffisant pour évacuer toute la chaleur dissipée par les piles à combustible. Il serait souhaitable de trouver une solution complémentaire pour évacuer une partie de la chaleur dissipée par les piles à combustible. La présente invention a notamment pour but d’apporter une solution à ce problème. Elle concerne un système de propulsion électrique d’un aéronef comprenant un générateur électrique dissipant de la chaleur lors de son fonctionnement, ainsi qu’un dispositif de refroidissement du générateur électrique. Le système de propulsion électrique est remarquable en ce qu’il comprend en outre au moins un moteur thermoacoustique et un circuit caloporteur configuré pour transporter vers le moteur thermoacoustique de la chaleur dissipée par le générateur électrique, et en ce que le dispositif de refroidissement du générateur électrique est au moins partiellement alimenté en énergie par de l’énergie issue du moteur thermoacoustique. Ainsi, grâce à l’invention, le dispositif de refroidissement du générateur électrique est alimenté en énergie, au moins en partie, par de l’énergie produite par le moteur thermoacoustique en utilisant une partie de la chaleur dissipée par le générateur électrique. Le système conforme à l’invention contribue doublement au refroidissement du générateur électrique. Une première contribution correspond à la chaleur transportée du générateur électrique vers le moteur thermoacoustique par le circuit caloporteur. Une deuxième contribution correspond au refroidissement du générateur électrique par le dispositif de refroidissement alimenté au moins en partie grâce à l’énergie issue du moteur thermoacoustique, cette énergie correspondant à de la chaleur que l’on cherche à évacuer. Cela permet de refroidir le générateur électrique de façon autonome ou au moins en partie autonome. De façon avantageuse, le moteur thermoacoustique est un moteur thermoacoustique à ondes progressives. Selon une première alternative le dispositif de refroidissement du générateur électrique est couplé mécaniquement à l’au moins un moteur thermoacoustique. Selon une deuxième alternative l’au moins un moteur thermoacoustique entraîne un alternateur prévu pour alimenter au moins partiellement en électricité le dispositif de refroidissement du générateur électrique. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de refroidissement du générateur électrique comporte un dispositif bi-phase comprenant un compresseur au moins partiellement alimenté en énergie par de l’énergie issue du moteur thermoacoustique. Dans un mode de réalisation, le système de propulsion électrique comprend au moins deux, de préférence quatre, moteurs thermoacoustiques dont les cœurs thermoacoustiques sont montés acoustiquement en série de façon à entraîner un ensemble de turbines bidirectionnelles. Dans un autre mode de réalisation, le système de propulsion électrique comprend quatre moteurs thermoacoustiques dont les cœurs thermoacoustiques sont montés acoustiquement en série deux par deux selon une configuration dite push-pull de façon à entraîner une unique turbine bidirectionnelle. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de refroidissement est configuré pour refroidir des composants électroniques de puissance du générateur électrique. Dans un autre mode particulier de réalisation, le générateur électrique comprend un ensemble de piles à combustible ainsi qu’un circuit de refroidissement des piles à combustible, le circuit de refroidissement contenant un fluide de refroidissement, et le dispositif de refroidissement est configuré pour refroidir ledit fluide de refroidissement. L’invention est également relative à un aéronef comprenant un tel système de propulsion électrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures annexées. La illustre un aéronef comportant un système de propulsion électrique. La illustre de façon schématique un système de propulsion électrique conforme à un mode de réalisation de l’invention. La illustre de façon schématique un moteur thermoacoustique du système de propulsion électrique représenté sur la . La illustre de façon schématique un mode de réalisation d’un dispositif de refroidissement d’un générateur électrique du système de propulsion électrique représenté sur la . La illustre de façon schématique un autre mode de réalisation du dispositif de refroidissement du générateur électrique du système de propulsion électrique représenté sur la . La illustre de façon schématique un agencement de quatre moteurs thermoacoustiques dans un système de propulsion électrique conforme à un mode de réalisation de l’invention. La illustre de façon schématique un autre agencement de quatre moteurs thermoacoustiques dans un système de propulsion électrique conforme à un mode de réalisation de l’invention. L’aéronef 1 représenté sur la comprend un fuselage 2 ainsi que des systèmes de propulsion électriques 3, par exemple attachés à des ailes fixées au fuselage. Comme représenté sur la , un système de propulsion électrique 3 conforme à un mode de réalisation de l’invention, comprend un générateur électrique 10 (libellé « G » sur la figure) relié électriquement à un moteur électrique 12 (libellé « M » sur la figure), ainsi qu’une hélice de propulsion 14. L’hélice de propulsion 14 est couplée mécaniquement au moteur électrique 12, directement ou indirectement, par exemple par l’intermédiaire d’une boîte de vitesses. Le générateur électrique 10 comprend un dispositif de refroidissement 16. Le système de propulsion électrique 3 comprend en outre un moteur thermoacoustique 20, relié au générateur électrique 10 par un circuit caloporteur comprenant un conduit aller 23 du générateur électrique 10 vers le moteur thermoacoustique 20 et un conduit retour 24 du moteur thermoacoustique 20 vers le générateur électrique 10. Le circuit caloporteur est conformé pour permettre de transporter de la chaleur d’une source de chaleur (par exemple des composants électroniques de puissance ou un ensemble de piles à combustible) du générateur électrique 10 vers le moteur thermoacoustique 20. Le moteur thermoacoustique 20 est également relié au dispositif de refroidissement 16 par une liaison 25. Dans un mode de réalisation illustré par la , le moteur thermoacoustique 20 comprend un cœur thermoacoustique 21 (« thermoacoustic core » en anglais) relié en entrée au conduit aller 23 du circuit caloporteur et relié en sortie au conduit retour 24 du circuit caloporteur. Le cœur thermoacoustique 21 est également relié à un conduit acoustique 28 sur lequel est installée une turbine T comprenant un arbre de sortie A. De façon avantageuse, la turbine T est une turbine bidirectionnelle. En fonctionnement, lorsque le générateur électrique 10 produit de l’électricité pour alimenter le moteur électrique 12 entraînant l’hélice de propulsion 14, le générateur électrique 10 dissipe en outre de la chaleur. Cette chaleur est dissipée par une source de chaleur correspondant en particulier à des composants électroniques de puissance et/ou à un ensemble de piles à combustible, comme indiqué précédemment. Le conduit 23 du circuit caloporteur contient un fluide caloporteur qui permet de transporter de la chaleur dissipée par le générateur électrique, vers le moteur thermoacoustique 20. Le fluide caloporteur arrive ainsi en entrée du cœur thermoacoustique 21, à une température d’entrée fonction de la chaleur dissipée par le générateur électrique 10. Le fluide caloporteur ressort du cœur thermoacoustique 21 à une température de sortie inférieure à la température d’entrée et il est renvoyé vers le générateur électrique 10 au moyen du conduit de retour 24 du circuit caloporteur. La différence de température entre la température d’entrée et la température de sortie du cœur thermoacoustique correspond à de la chaleur transmise du générateur électrique 10 vers le cœur thermoacoustique 21. Cette chaleur correspond à une première partie de la chaleur dissipée par le générateur électrique 10, qui est ainsi évacuée du générateur électrique 10. Cela représente une première contribution au refroidissement du générateur électrique 10. D’autre part, la chaleur transmise au cœur thermoacoustique 21 permet son fonctionnement, c’est-à-dire l’émission d’ondes acoustiques dans le conduit acoustique 28. Sur la , les ondes acoustiques sont illustrées par une flèche dans le conduit acoustique 28. Ces ondes acoustiques arrivent sur des aubes de la turbine T, ce qui a pour effet d’entraîner une rotation de la turbine et donc une rotation de l’arbre de sortie A de la turbine. La rotation de l’arbre de sortie A de la turbine est utilisée pour alimenter en énergie le dispositif de refroidissement 16 du générateur électrique 10, via la liaison 25. Lorsque la turbine T est bidirectionnelle, elle est entraînée en rotation aussi bien par des ondes acoustiques se propageant du cœur thermoacoustique 21 vers la turbine T (de la gauche vers la droite sur la ) que par des ondes acoustiques se propageant de la turbine T vers le cœur thermoacoustique 21 (de la droite vers la gauche sur la ). Le fonctionnement du dispositif de refroidissement 16 permet de refroidir le générateur électrique 10 et donc d’évacuer une deuxième partie de la chaleur dissipée par le générateur électrique 10. Cela représente une deuxième contribution au refroidissement du générateur électrique 10. La première et la deuxième contributions au refroidissement du générateur électrique permettent ainsi de refroidir le générateur électrique 10 de façon autonome ou au moins en partie autonome. Le refroidissement du générateur électrique 10 par le dispositif de refroidissement 16 correspond par exemple à un refroidissement de composants électroniques de puissance du générateur électrique 10 ou à un refroidissement d’un ensemble de piles à combustible du générateur électrique 10. Dans ce deuxième cas, le dispositif de refroidissement 16 est par exemple configuré de façon à refroidir un fluide de refroidissement contenu dans un circuit de refroidissement de l’ensemble de piles à combustible. Selon une première alternative, la liaison 25 correspond à un couplage mécanique du dispositif de refroidissement 16 à l’arbre de sortie A de la turbine T du moteur thermoacoustique 20. Selon une deuxième alternative, un alternateur 32 est couplé mécaniquement à l’arbre de sortie A de la turbine T. La liaison 25 correspond alors à un ensemble de câbles électriques permettant d’alimenter en électricité le dispositif de refroidissement 16. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de refroidissement 16 comporte un dispositif bi-phase 31 comprenant un compresseur 33, comme représenté sur les figures 4 et 5. De façon classique, le circuit bi-phase comprend en outre un condenseur 36, une vanne d’expansion 34 et un évaporateur 38. Dans le cas de la première alternative, le compresseur 33 est couplé mécaniquement à l’arbre de sortie A de la turbine T, comme représenté sur la . La rotation de l’arbre de sortie A entraîne alors le fonctionnement du compresseur. Dans le cas de la deuxième alternative, le compresseur 33 est relié à l’alternateur 32 au moyen d’un ensemble de câbles électriques, comme représenté sur la . Une rotation de l’arbre de sortie A de la turbine entraîne alors l’alternateur 32 qui fournit de l’électricité au compresseur 33, permettant ainsi son fonctionnement. Dans le cadre de l’invention, le moteur thermoacoustique 20 alimente en énergie le dispositif de refroidissement 16 en totalité ou en partie. Lorsque le moteur thermoacoustique 20 n’alimente qu’en partie en énergie le dispositif de refroidissement 16, le dispositif de refroidissement 16 est outre alimenté en énergie par une autre source d’énergie de l’aéronef, telle par exemple qu’une source d’énergie mécanique ou une source d’énergie électrique. Ainsi, dans le mode particulier de réalisation dans lequel le dispositif de refroidissement 16 comporte le dispositif bi-phase 31, ce dispositif bi-phase 31 comporte par exemple un deuxième compresseur monté en parallèle ou en série avec le compresseur 33, ce deuxième compresseur étant alimenté en énergie par cette autre source d’énergie. Selon une première variante, le moteur thermoacoustique 20 est un moteur thermoacoustique à ondes stationnaires (« standing wave » en anglais). Selon une deuxième variante préférée, le moteur thermoacoustique 20 est un moteur thermoacoustique à ondes progressives (« traveling wave » en anglais). De façon avantageuse, le système de propulsion électrique 3 comprend au moins deux moteurs thermoacoustiques montés acoustiquement en série et entraînant un ensemble de turbines bidirectionnelles. Ainsi, dans un mode de réalisation illustré sur la , le système de propulsion électrique 3 comprend quatre moteurs thermoacoustiques montés acoustiquement en série et entraînant quatre turbines, de préférence bidirectionnelles. Plus particulièrement, les cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d des quatre moteurs thermoacoustiques sont montés en série sur un conduit acoustique 28 formant une boucle fermée. Les quatre turbines T1, T2, T3, T4 sont également montées en série sur le conduit acoustique 28, chacune étant intercalée entre deux cœurs acoustiques consécutifs. Les arbres de sortie respectifs A1, A2, A3, A4 des quatre turbines sont couplés mécaniquement à une boîte de vitesses 30 qui comporte un arbre de sortie non représenté sur la figure. Les cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d sont reliés respectivement en entrée à des conduits 23a, 23b, 23c, 23d de circuits caloporteurs. Les cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d sont également reliés respectivement en sortie à des conduits 24a, 24b, 24c, 24d desdits circuits caloporteurs. Selon un mode de réalisation, ces circuits caloporteurs correspondent à plusieurs circuits caloporteurs conformés pour évacuer respectivement de la chaleur diffusée par différentes sources de chaleur du générateur électrique 10 (par exemple : composants électroniques de puissance, piles à combustible, etc.). Selon un autre mode de réalisation, ces circuits caloporteurs correspondent à des branches, montées en parallèle au niveau de l’ensemble de moteurs thermoacoustiques, d’un même circuit caloporteur conformé pour évacuer de la chaleur diffusée par une source de chaleur du générateur électrique 10. Les cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d sont de préférence de type à ondes progressives. Le fonctionnement des différents cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d est similaire à celui du cœur thermoacoustique 21 de la . Les ondes acoustiques émises par ces cœurs thermoacoustiques, dont un exemple est illustré sur la par des flèches dans le conduit acoustique 28, ont pour effet d’entraîner en rotation les turbines T1, T2, T3, T4 et par conséquent leurs arbres de sortie A1, A2, A3, A4. Cela a pour effet d’entraîner en rotation l’arbre de sortie de la boîte de vitesses 30. La puissance mécanique disponible sur cet arbre de sortie de la boîte de vitesses correspond, au rendement près de la boîte de vitesses, à la somme des puissances disponibles sur chacun des arbres de sortie A1, A2, A3, A4 des turbines. L’arbre de sortie de la boîte de vitesses 30 est couplé au dispositif de refroidissement 16 du générateur électrique 10, soit mécaniquement, soit électriquement par l’intermédiaire d’un alternateur 32 comme déjà exposé en référence aux figures 3 à 5 pour l’arbre de sortie A d’un moteur thermoacoustique. Le fait de coupler plusieurs moteurs thermoacoustiques permet ainsi de récupérer davantage de puissance, et donc d’énergie, à partir de la chaleur dissipée par le générateur électrique 10. Cela permet aussi d’évacuer une première partie de la chaleur dissipée par le générateur électrique 10, plus importante que dans le cas de l’utilisation d’un seul moteur thermoacoustique. Cela est notamment intéressant lorsque la quantité de chaleur à évacuer du générateur électrique 10 est élevée ou lorsque la température du fluide caloporteur est peu élevée en entrée des cœurs thermoacoustiques (au niveau des conduits caloporteurs 23a, 23b, 23c, 23d). Cela permet par exemple un fonctionnement satisfaisant pour une température du fluide caloporteur en entrée des cœurs thermoacoustiques aussi basse que 80°C. Dans un autre mode de réalisation illustré sur la , les cœurs thermoacoustiques 21a, 21b, 21c, 21d des quatre moteurs thermoacoustiques sont montés acoustiquement en série deux par deux sur un ensemble de conduits acoustiques 28 selon une configuration dite push-pull de façon à entraîner une turbine commune T, de préférence bidirectionnelle. Le fonctionnement des cœurs thermoacoustiques est similaire à celui déjà décrit en référence à la . Les ondes acoustiques émises par les cœurs thermoacoustiques sont illustrées, dans un exemple particulier, par des flèches dans les conduits 28 de la . La turbine T reçoit ainsi les ondes acoustiques provenant de l’ensemble des cœurs thermoacoustiques, ce qui entraîne la rotation de la turbine et de son arbre de sortie A. L’arbre de sortie A de la turbine est couplé au dispositif de refroidissement 16 du générateur électrique 10, soit mécaniquement, soit électriquement par l’intermédiaire d’un alternateur 32 comme déjà exposé en référence aux figures 3 à 5 pour l’arbre de sortie A d’un moteur thermoacoustique. Cet agencement des cœurs thermoacoustiques et de la turbine permet à une turbine unique de recevoir une puissance acoustique globale correspondant sensiblement à la somme des puissances acoustiques générées par les différents cœurs thermoacoustiques. Il en résulte un gain de masse par rapport au mode de réalisation illustré sur la , puisqu’il suffit d’une seule turbine au lieu de quatre et, de plus il n’est pas nécessaire d’utiliser une boîte de vitesses. 1) Système de propulsion électrique (3) d’un aéronef (1) comprenant un générateur électrique (10) dissipant de la chaleur lors de son fonctionnement, ainsi qu’un dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un moteur thermoacoustique (20) et un circuit caloporteur (23, 24) configuré pour transporter vers le moteur thermoacoustique de la chaleur dissipée par le générateur électrique, et en ce que le dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique est au moins partiellement alimenté en énergie par de l’énergie issue du moteur thermoacoustique (20). 2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur thermoacoustique (20) est un moteur thermoacoustique à ondes progressives. 3) Système selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique est couplé mécaniquement à l’au moins un moteur thermoacoustique (20). 4) Système selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l’au moins un moteur thermoacoustique (20) entraîne un alternateur (32) prévu pour alimenter au moins partiellement en électricité le dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique. 5) Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (16) du générateur électrique comporte un dispositif bi-phase (31) comprenant un compresseur (33) au moins partiellement alimenté en énergie par de l’énergie issue du moteur thermoacoustique (20). 6) Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux, de préférence quatre, moteurs thermoacoustiques dont les cœurs thermoacoustiques (21a, 21b, 21c, 21d) sont montés acoustiquement en série de façon à entraîner un ensemble de turbines bidirectionnelles (T1, T2, T3, T4). 7) Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend quatre moteurs thermoacoustiques dont les cœurs thermoacoustiques (21a, 21b, 21c, 21d) sont montés acoustiquement en série deux par deux selon une configuration dite push-pull de façon à entraîner une unique turbine bidirectionnelle (T). 8) Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (16) est configuré pour refroidir des composants électroniques de puissance du générateur électrique. 9) Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur électrique comprend un ensemble de piles à combustible ainsi qu’un circuit de refroidissement des piles à combustible, le circuit de refroidissement contenant un fluide de refroidissement, et en ce que le dispositif de refroidissement (16) est configuré pour refroidir ledit fluide de refroidissement. 10 – Aéronef (1), caractérisé en ce qu’il comprend un système de propulsion électrique (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes.