Brevet FR3155279A1 — publié le 20250516

L'invention concerne une vanne (10) de purge pour un circuit d’une pile à combustible comportant, ladite vanne comportant un corps (1) muni d’un canal ou de plusieurs canaux (14,16) de circulation d’un fluide, le corps de la vanne comportant en outre: – un organe (6) d’ouverture ou de fermeture dudit canal ou desdits canaux (14, 16), des moyens (4) d’activation de cet organe le long d’un axe (XX’) et des moyens (24) de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant; – des moyens (8) de chauffage de la vanne et des moyens (24) de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant, ces moyens de chauffage étant disposés entre les moyens (4) d’activation de l’organe (6) d’ouverture et fermeture du canal ou des canaux (14, 16) et le canal ou les canaux (14, 16). Figure pour l’abrégé : figure 1 VANNE DE PURGE AVEC FONCTION DE CHAUFFAGE INTEGREE DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L’invention se rapporte au domaine des vannes de purge et de vidange par exemple pour le circuit d’eau et d’hydrogène d’une pile à combustible ou, par exemple encore au domaine des vannes à eau sur des véhicules thermiques. Cette vanne permet de purger l’hydrogène ou l’eau en excès, par exemple dans le circuit associé à une pile à combustible, pour assurer un fonctionnement conforme à la demande, à la fois en termes de performance et d’efficience. Avec une telle vanne, on cherche à pouvoir effectuer une opération de purge sur des temps courts (par exemple de l’ordre du dixième de seconde ou plus) et selon un cycle qui peut être assez court (par exemple 1 s d’ouverture toutes les 5 s à 10 s, selon utilisation). Un problème se pose lors de températures négatives, l’eau solidifiée bloquant l’actionnement de la vanne. Un système de réchauffage est donc prévu. Les solutions connues au problème du gel de l’eau dans ce type de système prévoient des éléments de chauffage mettant en œuvre des composants annexes et supplémentaires dans le circuit d’alimentation et/ou des éléments extérieurs à la vanne, ces éléments étant utilisés comme source de chaleur lorsqu’ils sont alimentés. Cependant, ce type de solution implique un certain encombrement. Or les utilisateurs de ce type de vannes demandent de plus en plus un fort niveau de compacité. Par ailleurs, si le gel peut se former et obturer au moins en partie des canaux de circulation de fluide, il peut également se former dans d’autres zones de la vanne, dans lesquelles de l’humidité a pu préalablement se déposer. Un problème est donc de trouver un nouveau système de vanne de purge, permettant d’atteindre une certaine compacité tout en garantissant un fonctionnement efficace de la vanne. Un autre problème est de trouver un nouveau système de vanne de purge, permettant chauffage de l’ensemble des parties dans lesquels du gel peut se former. L’invention concerne d’abord une vanne, par exemple une vanne de purge pour un circuit d’une pile à combustible, ladite vanne comportant un corps muni d’un canal ou de canaux de circulation d’un fluide, le corps de la vanne comportant ou contenant, en outre: – un organe d’ouverture ou de fermeture du canal ou desdits canaux, des moyens d’activation de cet organe le long d’un axe (XX’) et des moyens de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant; – des moyens de chauffage de la vanne et des moyens de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant, ces moyens de chauffage étant disposés entre d’une part les moyens d’activation de l’organe d’ouverture et fermeture du canal ou des canaux et d’autre part le canal ou les canaux eux-mêmes. Une vanne selon l’invention, par exemple une vanne de purge eau/hydrogène, avec fonction de chauffe, permet de garantir un fonctionnement optimal dans toutes les conditions d’utilisation du système, en particulier dans le cas d’une utilisation à température négative. En effet, il est courant qu’une circulation d’un fluide, par exemple une purge de l’eau et/ou de l’hydrogène du circuit d’une pile à combustible, soit demandée par le système, alors que ce dernier est soumis à des températures négatives, pouvant provoquer l’apparition de glace. Cette glace peut empêcher la réalisation de la circulation des fluides, par exemple de la purge de l’eau et/ou de l’hydrogène, en bloquant l’actionnement de la vanne. La vanne ne peut donc fonctionner, la purge ne peut donc être faite dans l’exemple d’une vanne de purge, dégradant les performances du système. La vanne selon l’invention permet de réaliser cette fonte de glace et l’ouverture du canal ou des canaux avec un seul composant. La présence, dans le corps de la vanne, des moyens de chauffage, en particulier disposés entre les moyens d’activation et le canal ou les canaux, permet d’assurer un chauffage, tant du canal ou des canaux eux-mêmes que des parties de la vanne situées en amont par rapport au canal ou aux canaux, et dans lesquelles du gel peut également se former. Selon une réalisation, les moyens d’activation de l’organe d’ouverture ou de fermeture de la vanne comportent une 1 ère bobine enroulée autour dudit axe (XX’). Des moyens pour fermer le circuit magnétique de la 1 ère bobine peuvent également être prévus ; de préférence, la paroi du corps de la vanne participe également au circuit magnétique de cette 1 ère bobine. Selon un autre aspect de l’invention, les moyens de chauffage peuvent comporter une 2 ème bobine enroulée autour dudit axe (XX’). De préférence, la 2 ème bobine a un diamètre extérieur inférieur ou égal à celui de la première bobine, elle a alors moins d’interaction avec l’organe d’ouverture ou de fermeture que la 1 ère bobine. Mais, dans certaines réalisations, la 2 ème bobine peut avoir un diamètre extérieur supérieur à celui de la première bobine. Une vanne selon l’invention peut comporter des moyens, fixes par rapport à la vanne, par exemple un plot ou un noyau fixe, et un ressort, ce dernier étant disposé entre lesdits moyens fixe et l’organe d’ouverture ou de fermeture, permettant un maintien de ce dernier dans une position de fermeture du canal ou des canaux. Selon une réalisation particulièrement intéressante, la vanne peut comporter : - une première partie, comportant elle-même les moyens d’activation, l’organe d’ouverture ou de fermeture de la vanne et les moyens de chauffage; - une 2 e partie comportant le canal ou les canaux, cette 2 e partie étant amovible par rapport à la première partie. Selon encore une configuration intéressante, les moyens de connexion des moyens d’activation et des moyens de chauffage peuvent comporter 4 plots disposés à l’extérieur du corps de la vanne, ces plots étant répartis suivant 2 rangées parallèles entre elles ou suivant une seule rangée. Dans une vanne selon l’invention, les moyens d’activation et les moyens de chauffage de la vanne sont avantageusement alignés selon l’axe de déplacement de l’organe d’ouverture et de fermeture. Selon une réalisation particulière d’une vanne selon l’invention, celle-ci comporte un canal d’arrivée de fluide, et au moins 2 canaux d’écoulement de celui-ci. Par exemple, un canal d’écoulement peut être obturé pendant que l’autre canal d’écoulement est libre. L’invention concerne également un circuit de pile à combustible comportant et au moins une vanne, par exemple une vanne de purge, selon l’invention. Un tel circuit comporte par exemple, outre la pile elle-même, des moyens d’alimentation de la pile en hydrogène. L’invention concerne également un procédé de purge d’un circuit d’une pile à combustible selon l’invention, comportant : a) - une ouverture, respectivement une fermeture, d’un canal ou des canaux par actionnement l’organe à l’aide des moyens d’activation de cet organe, depuis une position de fermeture, respectivement d’ouverture, d’un canal ou de canaux vers une position d’ouverture, respectivement de fermeture, de ce même canal ou ces mêmes canaux, permettant, respectivement interdisant, une circulation d’un fluide, par exemple de l’eau et/ou de l’hydrogène ; b) – avant, ou pendant ou après l’étape a) : un chauffage à l’aide des moyens de chauffage. De préférence, l’étape de chauffage permet un chauffage d’une partie du canal ou des canaux et d’au moins une zone à l’interface entre l’organe d’ouverture ou de fermeture de la vanne et les moyens d’activation de cet organe. FIG. 1 représente un exemple de réalisation d'une vanne de purge selon l'invention; FIG. 2 et FIG. 2 représentent 2 réalisations d’un connecteur électrique latéral pour une vanne selon l'invention, FIG. 3 et FIG. 3 représentent un exemple de réalisation d'une vanne de purge selon l’invention, avec une partie inférieure amovible ; FIG. 4 représente une partie d’une vanne selon l’invention, avec 2 circuits d’écoulement de fluide. FIG. 5 représente un circuit de purge comportant une vanne selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La FIG. 1 représente un exemple de réalisation d'une vanne 10 de purge eau/hydrogène selon l'invention, avec fonction de chauffage intégrée. Elle comporte un corps fixe 1 qui s’étend le long d’un axe XX’. Ce corps fixe comporte deux parties. Une première partie 2, ou partie haute, comporte 2 bobines 4, 8, centrées sur l’axe XX’. La bobine 4 est située en partie supérieure et fonctionne de la manière suivante : lorsqu’elle est alimentée en courant, elle génère un champ magnétique B qui va interagir avec un noyau mobile 6, lequel a des propriétés magnétiques pour pouvoir interagir avec le champ généré par la bobine 4 ; il est par exemple paramagnétique, c’est-à-dire qu’il est faiblement attiré par un champ magnétique externe, ou ferromagnétique, c’est-à-dire qu’il conserve son aimantation après avoir été soumis à un champ magnétique. Le noyau 6 va donc être amené, en fonction de la direction de ce champ, à se déplacer le long de l’axe XX’. Il peut donc être amené d’une position basse, dans laquelle son extrémité 12 obstrue un canal ou des canaux 14, 16 de circulation de fluide, à une position haute dans laquelle ce canal ou ces canaux est/sont libres pour la circulation d’un fluide ou, inversement, de cette même position haute à sa position basse, dans laquelle il obstrue lesdits canaux. La vanne peut avoir une fonction de purge ou de drain et donc fonctionner en ON/OFF. Cependant l’invention peut être mise en œuvre pour réaliser une vanne proportionnelle, par exemple à plusieurs canaux, en particulier pour une autre application. Sous cette première bobine, le long de l’axe XX’, se trouve une seconde bobine 8, qui peut être plus petite que la 1 ère , et est séparée de la 1 ère bobine, cette seconde bobine 8 étant dédiée à la fonction de chauffage : l’ effet Joule du courant dans la bobine 8 va chauffer l’environnement proche de celle-ci, permettant ainsi la fonte de la glace éventuelle formée. Cette seconde bobine est également centrée sur l’axe XX’, mais est située en aval de la première bobine en direction du canal ou des canaux 14, 16. La 2 ème bobine peut être plus petite que la première bobine (avoir un diamètre extérieur inférieur à celui de la première bobine), mais, en variante, avoir un diamètre extérieur égal à celui de la première bobine, ou même supérieur à celui de la première bobine (auquel cas la capacité ou la fonction de chauffage est accrue) Une partie 11, en forme de rondelle ou de plaque percée en son milieu pour laisser passer le noyau 6 de l’actionneur permet le bouclage du circuit magnétique formé par la bobine 4, disposée dans la partie supérieure. Ce circuit magnétique passe également par les parois latérales 13, 15 de la vanne. En partie basse 3 de la vanne se trouve le siège de l’extrémité 12 (encore appelée « tampon ») de l’actionneur, lorsque celui-ci est en position basse (fermeture de la vanne), ainsi que le canal ou les canaux 14, 16 de passage du fluide (eau ou hydrogène) (à noter que les figures 1, 3A et 3B ne sont pas représentatives de l’encombrement réel et que, dans les 3 figures, un espace latéral permet à l’extrémité 12 d’être déplacée entre la position basse et la position haute). L’alimentation électrique de chacune des deux bobines 4, 8 est réalisée de façon indépendante de celle de l’autre bobine, via un connecteur latéral 24 à 4 broches ou plots de connexion 24 1 , 24 2 , 24 3 , 24 4 (figures 2A et 2B), 2 broches étant dédiées à chaque bobine. Cela permet de découpler le fonctionnement de chaque bobine du fonctionnement de l’autre bobine, et donc d’actionner la fonction de chauffe séparément de la fonction d’activation de l’actionneur, c’est-à-dire de la fonction de purge du circuit hydrogène et/ou d’eau. Outre le noyau mobile 6, qui se déplace de manière longitudinale le long de l’axe XX’, sous l’action de la bobine 4, la vanne peut comporter en outre un noyau ou plot fixe 20, un ressort 22 étant disposé en compression, selon l’axe XX’, entre ce dernier et le noyau mobile 6. Ce ressort permet de maintenir l’actionneur 6 dans une position qui ferme la vanne, celle-ci ne s’ouvrant que sous l’action de la bobine 4, le champ magnétique qu’elle engendre interagissant alors avec l’actionneur 6 en vue de libérer les canaux 14, 16 de circulation de fluide. Comme déjà expliqué ci-dessus et comme on le constate sur l’exemple de réalisation illustré en FIG. 1 , les 2 bobines sont alignées sur l’axe XX’ le long duquel l’actionneur peut être mis en mouvement par l’action de la bobine 4. Ainsi, la bobine 8 de chauffage est disposée de manière optimale, entre d’une part les entrées/sortie de fluide qui peuvent être au moins partiellement obstrués par de glace, et d’autre part la partie supérieure du dispositif, puisque, là aussi, de l’humidité peut s’être condensée et donner lieu à la formation de gel, en particulier entre le noyau fixe 20 et le noyau mobile 6 et/ou autour de ce dernier. Par conséquent, la bobine 8 a une fonction de chauffage dans les 2 directions (comme illustré par les références 26 et 30), vers le haut et vers le bas du dispositif. En outre, la structure avec 2 bobines qui sont alignées autour de l’axe de translation de l’actionneur confère à l’ensemble de la vanne une structure très compacte. De manière habituelle, la vanne est maintenue dans un état fermé, l’actionneur étant dans une position basse à l’aide du ressort 22 disposé entre le noyau mobile 6 et le noyau fixe 20. Mais, en variante, la vanne est maintenue dans un état ouvert, l’actionneur étant par exemple là encore dans une position basse à l’aide du ressort 22, mais une sortie 14’ pour l’écoulement du fluide vers un conduit 18 étant disposée au-dessus de cette position basse, comme illustré en FIG. 4 ( Selon les applications et en fonction de la position de l’élément ou du tampon 12’, le fluide peut ainsi être redirigé dans différent conduit 14, 18 . L’élément ou le tampon 12’ peut avoir alors une forme lui permettant d’obturer l’orifice 14 1 qui débouche vers le conduit 14 ou l’orifice 14 2 qui permet au fluide de s’écouler vers le conduit 18.Cette FIG. 4 montre également qu’une vanne selon l’invention peut être combinée avec par exemple plusieurs canaux d’écoulement 14, 18, 2 canaux d’écoulement étant représenté sur cette figure : comme on le comprend, un canal d’écoulement 14 peut être obturé pendant que l’autre canal d’écoulement 18 est libre. L’extrémité 12’ du noyau mobile 6 peut être emmenée par ce dernier pour bloquer l’un ou l’autre de ces 2 canaux, l’un d’entre (le canal 14 sur la FIG. 4 ) pouvant être obturé pendant que l’écoulement peut se faire vers l’autre canal 18, et inversement. Les plots de connexion 24 1 , 24 2 , 24 3 , 24 4 du connecteur 24 peuvent être disposés suivants 2 rangées superposées de 2, comme illustré en FIG. 2 , ou peuvent être tous les 4 alignés, comme illustré en FIG. 2 . la configuration de la FIG. 2 permet d’occuper moins de place sur la paroi extérieure de la vanne. Or, comme déjà indiqué ci-dessus, cette paroi extérieure est utilisée pour le bouclage du circuit magnétique de la bobine d’activation 4. Par conséquent, la configuration de la FIG. 2 , avec 2 rangées superposées de chacune 2 plots, permet une meilleure activation de l’actionneur . Selon une réalisation, expliquée en lien avec les figures 3A et 3B, la partie inférieure 3 de la vanne est amovible ; elle est par exemple réalisée en un matériau plastique, tandis que la partie supérieure est en un matériau métallique, permettant la circulation du flux magnétique. En changeant cette partie inférieure, on peut donc faire varier les dimensions des canaux selon les besoins . On a représenté, en FIG. 3 , la vanne dans laquelle les 2 parties 2,3 sont assemblées, la vanne ayant alors la même structure que celle de la FIG. 1 . En FIG. 3 , les 2 parties 2,3 sont séparées, et la partie 3 peut être remplacée par une autre partie comportant des conduites 14,16 ayant des diamètres différents de ceux de la partie 3 qui a été enlevée. Une telle structure offre donc beaucoup de flexibilité à un utilisateur. Une vanne selon l’invention permet, en intégrant une fonction de chauffage, un gain important en encombrement, en coût, ainsi qu’en capacité de pilotage, puisqu’il n’y a qu’une pièce qui assure des fonctions d’ouverture/fermeture de la vanne mais également de chauffage de celle-ci. Elle apporte donc une compacité au système de purge du circuit. De plus, la fonction ce chauffage est localisée au plus près du passage du fluide, ce qui n’est pas le cas en utilisant un composant séparé, mais également des autres composants de la vanne. On gagne donc en efficacité de chauffage (la glace fond plus rapidement et/ou en consommant moins d’énergie) et ceci pour l’ensemble de la vanne. Certains systèmes connus n’ont pas la capacité de séparer la fonction actuation de la fonction chauffe : le chauffage ne peut alors être réalisé que lorsque la vanne est en position fixe. Une vanne selon l’invention permet de découpler les 2 fonctions, et donc d’activer ou non le chauffage à tout moment, de façon décorrélée de la fonction d’activation de l’ouverture ou la fermeture de la vanne. Le moyen qui permet de réaliser le chauffage d’une vanne selon l’invention peuvent être utilisé en prévention (afin d’éviter la formation de gel) ou de manière curative, après la formation de gel. Un exemple de système dans lequel la présente invention peut être utilisée est représenté schématiquement en FIG. 5 : la référence 30 désigne des éléments de pile à combustible, dont une sortie est munie d’une vanne 10 selon l’invention, qui est utilisée sur la partie de purge du circuit de cette pile. La pile est alimentée par des moyens 32 d’alimentation en hydrogène. Elle est connectée à divers éléments d’un circuit de circulation de fluides, ces éléments étant représentés schématiquement par la référence 40. Vanne (10) de purge pour un circuit d’une pile à combustible comportant, ladite vanne comportant un corps (1) muni d’un canal ou de canaux (14,16) de circulation d’un fluide, le corps de la vanne comportant en outre: – un organe (6, 12, 12’) d’ouverture ou de fermeture dudit canal ou desdits canaux (14, 16, 18), des moyens (4) d’activation de cet organe le long d’un axe (XX’) et des moyens (24) de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant; – des moyens (8) de chauffage de la vanne et des moyens (24) de connexion de ces moyens d’activation à une alimentation en courant, ces moyens de chauffage étant disposés entre d’une part les moyens (4) d’activation de l’organe (6) d’ouverture et fermeture du canal ou des canaux (14, 16, 18) et d’autre part le canal lui-même ou les canaux (14, 16, 18) eux-mêmes. Vanne selon la revendication 1, les moyens (4) d’activation de l’organe d’ouverture ou de fermeture de la vanne comportant une 1 ère bobine (4) enroulée autour dudit axe (XX’). Vanne selon la revendication 2, comportant en outre des moyens (11) pour fermer le circuit magnétique de la 1 ère bobine (4). Vanne selon l’une des revendications 2 ou 3, les moyens de chauffage comportant une 2 ème bobine (8) enroulée autour dudit axe (XX’). Vanne selon la revendication 4, la 2 ème bobine ayant un diamètre extérieur inférieur ou égal à celui de la première bobine (4). Vanne selon la revendication 4, la 2 ème bobine ayant un diamètre extérieur supérieur à celui de la première bobine (4). Vanne selon l’une des revendications 1 à 6, comportant en outre des moyens (20) fixes par rapport à la vanne et un ressort (22), disposé entre lesdits moyens (20) fixe et l’organe (6), permettant un maintien de ce dernier dans une position de fermeture ou d’ouverture du canal ou des canaux (14,16, 18). Vanne selon l’une des revendications 1 à 7, la vanne comportant : - une première partie, comportant elle-même les moyens d’activation (4), l’organe (6) d’ouverture ou de fermeture de la vanne et les moyens de chauffage (8) ; - une 2 e partie comportant le canal ou les canaux (14, 16, 18), cette 2 e partie étant amovible par rapport à la première partie. Vanne selon l’une des revendications 1 à 8, les moyens de connexion (24) des moyens d’activation (4) et des moyens de chauffage (8) comportant 4 plots (24 1 , 24 2 , 24 3 , 24 4 ) disposés à l’extérieur du corps de la vanne, ces plots étant répartis suivant 2 rangées parallèles entre elles ou suivant une seule rangée. Vanne selon l’une des revendications 1 à 9, les moyens d’activation (4) et les moyens (6) de chauffage de la vanne étant alignés selon un axe (XX’) de déplacement de l’organe d’ouverture et de fermeture. Vanne selon l’une des revendications 1 à 10, comportant un canal d’arrivée de fluide, et au moins 2 canaux d’écoulement (14, 18) de celui-ci. Vanne selon la revendication 11, un canal d’écoulement (14) pouvant être obturé pendant que l’autre canal d’écoulement (14’) est libre. Circuit de pile à combustible comportant une vanne de purge selon l’une des revendications 1 à 12. Procédé de purge d’un circuit d’une pile à combustible selon la revendication 13, comportant : a) - une ouverture du canal ou des canaux (14, 16, 18) par actionnement l’organe (6) d’ouverture ou de fermeture à l’aide des moyens (4) activation de cet organe, depuis une position de fermeture, respectivement d’ouverture, du canal ou des canaux (14,16, 18) vers une position d’ouverture, respectivement de fermeture, de ce même canal ou de ces mêmes canaux, permettant, respectivement interdisant, une circulation d’un fluide ; b) – avant, pendant ou après l’étape a) : un chauffage à l’aide des moyens (8) de chauffage. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le fluide est de l’eau et/ou de l’hydrogène. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de chauffage permet un chauffage d’une partie du canal ou des canaux (14,16,18) et d’au moins une zone à l’interface entre l’organe (6) d’ouverture ou de fermeture de la vanne et les moyens (4) d’activation de cet organe.