Brevet FR3134757A1 — publié le 20231027

La présente invention concerne un véhicule comprenant un système de refroidissement destiné au refroidissement d’au moins un organe du véhicule générant de la chaleur (5). Le système de refroidissement comprend un circuit fermé (10) de circulation d’un fluide thermique qui comporte un radiateur (7), un moyen d’échange de chaleur avec l’organe générant de la chaleur (5), une pompe (6) et un dispositif de plaque froide (1). La plaque froide (1) est intégrée à une pièce de carrosserie du véhicule. Figure 4 à publier Véhicule avec système de refroidissement comprenant une plaque froide La présente invention concerne le domaine du refroidissement des organes générant de la chaleur au sein d’un véhicule, notamment une pile à combustible, un circuit selon un cycle de Rankine, un moteur thermique, une batterie électrique ou une machine électrique. De nombreux travaux sont consacrés actuellement au développement des piles à combustible en tant que sources d'énergie électrique pour l'alimentation, tant pour des applications stationnaires, que pour des applications embarquées, notamment pour des véhicules entraînés par des machines électriques. En effet, les avantages environnementaux des piles à combustible (rendements électrique et énergétique élevés, très faibles émissions de gaz nocifs, absence d’émission de gaz à effet de serre, faible nuisance sonore, production localisée...) sont des atouts qui deviennent importants, en particulier pour le domaine du transport. Une pile à combustible permet de transformer une énergie chimique en énergie électrique. Dans le cas d’une pile à combustible hydrogène/oxygène, la réaction chimique mise en œuvre est une combustion de l’hydrogène dans l’oxygène, dont la réaction peut s’écrire par l’équation : Au sein d’une pile à combustible, l’oxydation électrochimique de l’hydrogène est réalisée au niveau d’une anode constituée d’un matériau catalytique conducteur, alors que la réduction électrochimique de l’oxygène se produit au niveau d’une cathode généralement constituée d’un même matériau catalytique. De plus, les compartiments anodique et cathodique sont séparés par un électrolyte permettant l’échange de protons ou d’ions. Pour les véhicules, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles dites à membrane échangeuse de protons, fonctionnant à partir d'une source d'hydrogène provenant soit d'une bouteille embarquée dans le véhicule, soit d'une unité produisant directement de l'hydrogène dans le véhicule. C'est ainsi que l'on peut produire directement de l'hydrogène en utilisant un reformeur fonctionnant avec un carburant approprié, tel que le méthanol, l'essence, le gazole, etc. Dans un véhicule, il faut non seulement refroidir le moteur électrique assurant la propulsion du véhicule ainsi que la commande de puissance du moteur, sa batterie éventuellement s’il en est équipé mais aussi la pile à combustible elle-même puisque cette dernière est génératrice de pertes thermiques liées aux réactions électro-chimiques se déroulant aux électrodes, et aux pertes ohmiques à la membrane. Ces problèmes liés à la gestion du refroidissement de la pile à combustible sont particulièrement contraints pour les applications embarquées, en particulier au sein des véhicules. En effet, le dimensionnement du système de refroidissement et de récupération de la chaleur doit être ajusté à la place disponible, et doit permettre un refroidissement important supérieur à celui d’un moteur thermique car la pile à combustible fonctionne à une température inférieure et doit évacuer plus de calories vers le circuit de refroidissement. De plus, dans le domaine de la récupération de la chaleur au moyen d’un circuit fermé selon un cycle de Rankine, les contraintes pour le refroidissement du moteur thermique et le circuit de récupération de chaleur sont également importantes. En effet, pour cette configuration, les circuits classiques de refroidissement de moteurs thermiques passent par des équipements tels que des radiateurs à eau glycolée pour céder la chaleur acquise par le fluide caloporteur et le recondenser une fois le travail récupéré par la machine de détente du cycle Rankine. 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 pour en limiter les pertes. Dans ce but, un intérêt particulier a été apporté aux circuits récupérateurs de chaleur à cycle organique de Rankine, ou ORC (de l’anglais « Organic Rankine Cycle »). De tels circuits de récupération de chaleur sont en relation avec le circuit de refroidissement du moteur, par un échangeur de chaleur, généralement un évaporateur, et la chaleur qu’ils récupèrent peut être utilisée à entraîner une turbine. Certains documents de l’art antérieur illustrant de telles réalisations sont EP1925806 A2, EP2320058 A1 et WO2016/069455 A1. Les problèmes liés à la gestion du refroidissement du cycle de Rankine sont particulièrement contraints pour les applications embarquées, en particulier au sein des véhicules. En effet, le condenseur du circuit du cycle de Rankine doit être ajusté à la place disponible au sein du véhicule qui comporte le moteur thermique et le circuit ORC. De plus, il doit permettre un refroidissement important du fluide caloporteur du circuit du cycle de Rankine. En outre, dans le domaine des véhicules thermiques, des véhicules électrifiés ou des véhicules hybrides, le moteur thermique et/ou la machine électrique et/ou la batterie électrique sont également des organes qui génèrent de la chaleur et qui doivent être refroidis. Pour ces véhicules, les contraintes de dimensionnement et de performances du système de refroidissement sont également importantes. Différentes solutions ont été envisagées pour réaliser un système de refroidissement de véhicule qui soit performant, même pour des organes embarqués nécessitant un fort refroidissement. Une solution qui pourrait être envisagée pourrait être l’augmentation de la taille du radiateur du véhicule. Toutefois, cette solution n’est pas possible en rétrofit (réaménagement) sur un véhicule existant ou plus généralement sur une plateforme véhicule existante ou seul un changement de groupe motopropulseur est réalisé lors du développement du véhicule. De plus, cette solution nécessite de modifier le profil du véhicule, et par conséquent son aérodynamisme, ce qui influe directement sur la consommation énergétique du véhicule, et par conséquent sur les émissions de polluants dans le cas des moteurs thermiques. Une autre solution est décrite dans la demande de brevet US2021402843 A, qui illustre un système de refroidissement d’un véhicule électrique qui comporte un radiateur sur la face avant du véhicule, ainsi qu’un échangeur surfacique sous la caisse véhicule. Chaque échangeur de chaleur (radiateur et échangeur surfacique) sont inclus dans une boucle de refroidissement distincte. Ce système vise à réaliser de la gestion thermique du groupe moto propulseur électrique et à assurer des capacités de refroidissement augmenté. Le système est associé à un distributeur permettant d’utiliser une ou deux boucles de refroidissement selon le fonctionnement du véhicule. Par exemple à haute vitesse, on ferme les entrées d’air en face avant au niveau du radiateur pour améliorer l’aérodynamisme du véhicule, on utilise le second échangeur de chaleur surfacique pour le refroidissement. Cette conception nécessite deux échangeurs de chaleur traversés par l’air, ce qui implique une complexité du système. La demande de brevet US2021031838 AA concerne une autre solution basée sur un système de capot du moteur qui intègre un système de refroidissement pour un moteur thermique ou pour un groupe motopropulseur électrique. Pour cela, un dispositif de serpentins de fluide caloporteurs est fixé sur la partie intérieure du capot. Il s’agit d’un circuit de fluide caloporteur indépendant du circuit de refroidissement conventionnel relié au radiateur du véhicule. Cette solution nécessite donc deux circuits distincts ce qui le rend complexe. En outre, la fixation d’un serpentin sur le capot nécessite une complexité d’assemblage du système de refroidissement, ou éventuellement une complexité d’un procédé de rétrofit d’un véhicule. En outre, la solution entraine une augmentation de la température du capot moteur associée à la température du fluide caloporteur à refroidir avec un risque de brûlure associée pour l’usager directement en contact avec ce capot. L’invention a pour but de refroidir de manière performante au moins un organe d’un véhicule, en particulier un organe nécessitant un fort refroidissement (tel qu’une pile à combustible ou un circuit selon un cycle de Rankine), sans impacter l’aérodynamisme du véhicule, et de manière simple. Dans ce but, l’invention concerne un véhicule comprenant un système de refroidissement destiné au refroidissement d’au moins un organe du véhicule générant de la chaleur. Le système de refroidissement comprend un circuit fermé de circulation d’un fluide thermique qui comporte un radiateur, un moyen d’échange de chaleur avec l’organe générant de la chaleur, une pompe et un dispositif de plaque froide. La plaque froide est intégrée à une pièce de carrosserie du véhicule. Elle comporte d’un canal de circulation du fluide thermique qui est noyé dans une matrice, qui est une pièce de carrosserie. Cette plaque froide assure le refroidissement du fluide thermique circulant dans le canal. Ainsi, le système de refroidissement comprend deux éléments distincts permettant de refroidir efficacement le fluide thermique (et par conséquent de refroidir efficacement au moins un organe) : le radiateur et la plaque froide, ce qui permet de limiter les dimensions du radiateur. De plus, l’intégration de la plaque froide dans la carrosserie du véhicule permet de ne pas modifier l’extérieur du véhicule. De cette manière, l’aérodynamisme du véhicule est conservé. D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. L’invention concerne un véhicule comprenant au moins un organe générant de la chaleur et un système de refroidissement dudit au moins un organe générant de la chaleur, ledit système de refroidissement comprenant un circuit fermé de circulation d’un fluide thermique qui comporte un radiateur, un moyen d’échange de chaleur avec ledit au moins un organe générant de la chaleur et une pompe de circulation du fluide thermique. Le circuit fermé comprend en outre une plaque froide formée par une pièce de carrosserie dudit véhicule pour le refroidissement dudit fluide thermique, un canal pour ledit fluide thermique étant noyé dans ladite pièce de carrosserie formant ladite plaque froide. Selon un mode de réalisation de l’invention, ledit organe générant de la chaleur est une pile à combustible, un condenseur d’un circuit fermé selon un cycle de Rankine, un moteur thermique, une batterie électrique, ou une machine électrique. Avantageusement, ladite pièce de carrosserie est choisie parmi un parechoc avant, un béquet de toit, un déflecteur de toit. Selon un aspect de l’invention, ledit canal de ladite plaque froide a une forme de serpentin ou comporte des ramifications parallèles. Conformément à une mise en œuvre, ladite plaque froide est en matériau plastique, en matériau composite, de préférence ladite plaque froide comprend des moyens d’amélioration de la conduction thermique entre le canal intérieur et l’air extérieur notamment par l’ajout d’une poudre ou de fibres. Selon une caractéristique, ladite pièce de carrosserie est renforcée par une structure rigide agencée à l’intérieur dudit véhicule. De manière avantageuse, ledit circuit fermé comprend une deuxième pompe, ladite deuxième pompe étant agencée en amont ou en aval de ladite plaque froide. Conformément à un mode de réalisation, au sein dudit circuit fermé, ladite plaque froide est montée en série ou en parallèle dudit radiateur. Conformément à un aspect de l’invention, ledit véhicule est un véhicule terrestre, notamment un poids lourd, un car, un véhicule automobile ou un train Selon une mise en œuvre, ledit circuit fermé comprend un thermostat en amont dudit au moins un organe générant de la chaleur, et ladite plaque froide est agencée dans ledit circuit fermé en amont dudit thermostat. Liste des figures La illustre une vue tridimensionnelle d’une plaque froide. La illustre une vue en coupe d’une plaque froide. La illustre une vue tridimensionnelle d’une plaque froide. La illustre un système de refroidissement d’un véhicule selon un premier mode de réalisation de l’invention. La illustre un système de refroidissement d’un véhicule selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. La illustre un système de refroidissement d’un véhicule selon un troisième mode de réalisation de l’invention. La illustre un système de refroidissement d’un véhicule selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. La illustre un agencement des composants du système de refroidissement de véhicule selon une première variante de réalisation de l’invention. La illustre un agencement des composants du système de refroidissement de véhicule selon une deuxième variante de réalisation de l’invention. Véhicule comprenant au moins un organe générant de la chaleur (5) et un système de refroidissement dudit au moins un organe générant de la chaleur (5), ledit système de refroidissement comprenant un circuit fermé (10) de circulation d’un fluide thermique qui comporte un radiateur (7), un moyen d’échange de chaleur avec ledit au moins un organe générant de la chaleur (5) et une pompe (6) de circulation du fluide thermique, caractérisé en ce que ledit circuit fermé (10) comprend en outre une plaque froide (1) formée par une pièce de carrosserie dudit véhicule (11) pour le refroidissement dudit fluide thermique, un canal (4) pour ledit fluide thermique étant noyé dans ladite pièce de carrosserie formant ladite plaque froide (1). Véhicule selon la revendication 1, dans lequel ledit organe générant de la chaleur (5) est une pile à combustible, un condenseur d’un circuit fermé selon un cycle de Rankine, un moteur thermique, une batterie électrique, ou une machine électrique. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce de carrosserie est choisie parmi un parechoc avant, un béquet de toit, un déflecteur de toit. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit canal (4) de ladite plaque froide (1) a une forme de serpentin ou comporte des ramifications parallèles. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite plaque froide (1) est en matériau plastique, en matériau composite, de préférence ladite plaque froide comprend des moyens d’amélioration de la conduction thermique entre le canal intérieur et l’air extérieur notamment par l’ajout d’une poudre ou de fibres. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce de carrosserie est renforcée par une structure rigide agencée à l’intérieur dudit véhicule. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit circuit fermé (10) comprend une deuxième pompe (8), ladite deuxième pompe étant agencée en amont ou en aval de ladite plaque froide. Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, au sein dudit circuit fermé (10), ladite plaque froide (1) est montée en série ou en parallèle dudit radiateur (7). Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit véhicule est un véhicule terrestre, notamment un poids lourd (11), un car, un véhicule automobile ou un train Véhicule selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit circuit fermé (10) comprend un thermostat (9) en amont dudit au moins un organe générant de la chaleur (5), et ladite plaque froide (1) est agencée dans ledit circuit fermé (10) en amont dudit thermostat (9).