Brevet FR3158469A1 — publié le 20250725

L’invention concerne un véhicule automobile comprenant une source de chaleur (S) et un système de refroidissement pour refroidir la source de chaleur (S), le système de refroidissement comprenant : - un radiateur (R) ; - au moins une pompe de circulation (P) ; - au moins un échangeur de chaleur (HE) ; - au moins une turbine (T) connectée à une génératrice (G) ; - au moins un premier circuit de refroidissement (C1) comprenant un premier fluide, connectant le radiateur (R) à ladite pompe (P), puis audit échangeur de chaleur (HE), puis à ladite turbine (T) ; et - au moins un deuxième circuit de refroidissement (C2) comprenant un deuxième fluide, connectant ledit échangeur de chaleur (HE) à la source (S). L’invention concerne également un procédé sur la base d’un tel véhicule. Figure 2 VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT EQUIPE D’UN ECHANGEUR DE CHALEUR CONNECTE A TURBINE COUPLEE A UNE GENERATRICE DE COURANT, ET PROCEDE SUR LA BASE D’UN TEL VEHICULE L'invention se rapporte au domaine des systèmes de refroidissement de moteur et/ou de batterie, et des systèmes d’absorption choc frontal de véhicules automobiles. Dans l’art antérieur, les systèmes de refroidissement sont une solution largement standardisée illustrée en FIG. 1 . Ils comprennent un échangeur de type plat (radiateur R et condenseur C) comportant un nombre important de lamelles d’une largeur définie, contenues longitudinalement pour des questions d’encombrement, et compactées au maximum latéralement et verticalement pour augmenter la surface d’échange thermique. Le fluide travail est de l’eau ou un fluide réfrigérant appelé « liquide de refroidissement ». Le radiateur R est refroidi à l’air A, en boucle ouverte avec un ventilateur V qui force l’air pour réaliser un flux d’air forcé. Par ailleurs, dans l’art antérieur, l’absorbeur de choc est structurel et de type passif. Il peut comporter une structure à géométrie fixe, en métal (ou composite), dans des solutions de série, largement standardisées ; ou une structure à géométrie variable, en métal, spécifique, sans application en série. Les systèmes de refroidissement de l’art antérieur sont efficaces d’un point de vue thermique, dotés d’une grande surface d’échange, de ventilateurs pour forcer l’air et d’un circuit de refroidissement qui est mis au point pour les fluides de travail conventionnels (eau, liquides de refroidissement). Ils impliquent un impact architecture et style fort : le système a besoin d’être en face du véhicule avec une entrée d’air qui pénalise le rendement d’architecture, la performance en termes de réparabilité et de choc à grande vitesse. Ils sont très peu efficaces d’un point de vue choc : en cas de choc, ils constituent un volume plutôt rigide qui pénalise l’efficience de la longueur du bloc avant, ainsi que le ratio entre l’espace dédié à l’absorption d’énergie et la longueur totale du bloc avant. En tant qu’absorbeurs de choc structurels, leur structure passive implique un encombrement, leur constitution métallique implique un poids important, tandis qu’une constitution en composite implique une faible robustesse de fonctionnement car l’absorption d’énergie se fait par rupture du matériau. Le document DE102017009453 propose un système de refroidissement comportant une structure en nid d’abeille avec des canaux parallèles orientés longitudinalement. La structure en nid d’abeille du véhicule automobile est notamment pourvue d'un accumulateur de chaleur latente sous la forme d'un revêtement d'un matériau à changement de phase. Il s’agit d’un système de refroidissement passif via ce revêtement. Un objectif de la présente invention est de remédier aux défauts de l’art antérieur, et notamment de proposer une solution de refroidissement et d’absorption de choc où le refroidissement est actif pour être plus efficace que dans l’art antérieur, et où l’absorption de choc est sensiblement efficace. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un véhicule automobile dans un repère dans l’espace comprenant un axe de longitudinal suivant une direction de déplacement du véhicule automobile ; un axe latéral perpendiculaire à l’axe longitudinal, et un axe vertical perpendiculaire à l’axe longitudinal et à l’axe latéral, le véhicule automobile comprenant une source de chaleur et un système de refroidissement pour refroidir la source de chaleur, le système de refroidissement comprenant : - un radiateur ; - au moins une pompe de circulation ; - au moins un échangeur de chaleur ; - au moins une turbine connectée à une génératrice ; - au moins un premier circuit de refroidissement comprenant un premier fluide, connectant le radiateur à ladite pompe, puis audit échangeur de chaleur, puis à ladite turbine ; et - au moins un deuxième circuit de refroidissement comprenant un deuxième fluide, connectant ledit échangeur de chaleur à la source. Avantageusement, l’invention propose un système de refroidissement actif, basé sur un cycle de travail fermé, avec un fluide de travail qui est de préférence l’ammoniac ou le bioéthanol. Le circuit de refroidissement est plus efficace et produit de l’électricité. L’échangeur de chaleur maximise les échanges de chaleur, ce qui permet de réduire la masse et la taille de l’échangeur. Selon une variante, la génératrice est connectée à une batterie. Cela permet de stocker l’énergie générée par le premier circuit de refroidissement. Selon une variante, la batterie est une batterie de traction. Cela permet d’augmenter l’autonomie d’un véhicule à batterie de traction. Selon une variante, le radiateur a une structure en nid d’abeille ou en tubes parallèles avec des orifices agencés longitudinalement suivant l’axe longitudinal. Cela permet de renforcer la rigidité du radiateur de sorte qu’il puisse absorber des chocs frontaux. Selon une variante, l’échangeur de chaleur a une structure en nid d’abeille ou en tubes parallèles avec des orifices agencés longitudinalement suivant l’axe longitudinal. Cela permet de renforcer la rigidité de l’échangeur de chaleur de sorte qu’il puisse absorber des chocs frontaux. Selon une variante, le premier fluide comprend de l’ammoniac ou du bioéthanol. L’ammoniac permet d’améliorer l’efficacité du refroidissement. Le bioéthanol permet d’utiliser un fluide écologique. Selon une variante, le deuxième fluide comprend un liquide de refroidissement. Cela permet d’utiliser un fluide usuel. Selon une variante, le véhicule automobile comprend : - deux premiers circuits de refroidissement connectant, chacun, ledit radiateur à une pompe respective, puis à un échangeur de chaleur respectif, puis à une turbine respective ; - deux deuxièmes circuits de refroidissement connectant, chacun, ledit l’échangeur de chaleur respectif à la source. Cela permet de refroidir, en plusieurs points, une ou plusieurs sources de chaleur. Selon une variante, la source de chaleur comprend un moteur à combustion interne et/ou une machine électrique. Cela permet de refroidir un moteur thermique ou une machine électrique. L’invention porte en outre sur un procédé de refroidissement d’une source de chaleur d’un véhicule automobile selon l’invention, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place au moins un premier circuit de refroidissement comprenant un premier fluide, connectant le radiateur à ladite pompe, puis audit échangeur de chaleur, puis à ladite turbine ; et au moins un deuxième circuit de refroidissement comprenant un deuxième fluide, connectant ledit échangeur de chaleur à la source ; et - actionner ladite pompe de sorte à refroidir la source de chaleur. L'invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l'invention, dans lesquelles : - FIG. 1 illustre schématiquement un système de refroidissement selon l’art antérieur ; - FIG. 2 illustre schématiquement un système de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - FIG. 3 illustre schématiquement un système de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation ; et - FIG. 4 illustre schématiquement une structure en nid d’abeille d’un échangeur de chaleur ou d’un radiateur. La présente invention présente un système de refroidissement de haute performance qui est compact et permet de restructurer l’espace dans le bloc avant du véhicule, en donnant beaucoup de liberté, tout en jouant le rôle d’éléments de structure pour prévenir et protéger le véhicule des chocs frontaux. L’invention s’applique au refroidissement à un moteur à combustion interne, à une machine électrique ou à un système de stockage, comme par exemple un pack batterie. L’invention propose un système de refroidissement actif, basé sur un cycle de travail fermé, avec un fluide de travail qui est par exemple l’ammoniac ou le bioéthanol. Un circuit de refroidissement en une ou deux boucles de refroidissement est proposé. Il est plus efficace et produit de l’électricité, contrairement au circuit d’échange de chaleur présenté dans la FIG. 1 . L’échangeur de chaleur peut être de type plat, ou de type tube avec un fluide travail avec un coefficient calorifique augmenté, afin de maximiser les échanges de chaleur et ainsi réduire la masse et la taille de cet échangeur. Le fluide de travail à coefficient calorifique augmenté convient être l’ammoniac ou encore le bioéthanol. Le circuit de refroidissement produit en plus de l’électricité, suite à la détente du fluide de travail dans une turbine T, dont l’arbre est lié à une génératrice de courant G. La génératrice G produit de l’électricité qui est par la suite stockée dans la batterie haute tension B du véhicule. Un ou deux échangeurs (figures 2 et 3), avec des structures de nids d’abeilles ou des tubes sont disposés en longueur sur l’axe Y et peuvent être soit parallèles aux brancards du véhicules, soit les remplacer. Le radiateur R fait partie du système de refroidissement où la surface nécessaire à l’échange thermique est obtenue avec une série de lamelles de taille importante en X et empilées mais sans être compactées en Z, au contraire elles ont une forme ondulée latéralement de telle manière à former un système de type nid d’abeille (ou un système sinusoïdal latéralement) ; la géométrie ainsi obtenue permet de maintenir la même efficience thermique et de devenir efficiente aussi en choc frontal. L’invention permet de résoudre les problèmes suivants de l’art antérieur : - le système de refroidissement standard est à boucle ouverte, dispose d’un ventilateur, ne produit pas de l’électricité et contient un empilement de radiateur, d’échangeur et d’un ventilateur. Le système de l’invention améliore le rendement thermodynamique de refroidissement, en rendant le système actif (pilotable par de l’électricité), compact : la taille des échangeurs est diminuée, et produisant de l’électricité grâce à une génératrice G mise au bout de l’arbre d’une turbine T qui tourne suite à la détende de l’ammoniac, le fluide de travail, dans le circuit de refroidissement ; - par ailleurs, le système de refroidissement standard n’est pas efficient en choc ; l’invention propose en outre de rendre l’échangeur de chaleur HE efficient en choc. Les inventeurs ont supprimé le ventilateur V de l’art antérieur, diminué la taille du radiateur R, en mettant notamment l’échangeur HE, en ajoutant : - un circuit de travail en boucle fermée, constitué d’une pompe électrique P, l’échangeur HE, composé de lamelles de types nid d’abeilles ou de tubes ; - la turbine de détente T ; - la génératrice G connectée à la turbine T, qui produit du courant à la détente du fluide de travail (ammoniac) ; et - un stockage de l’électricité dans une batterie haute tension B. Le fluide de travail est de l’ammoniac. Les inventeurs ont en outre modifié le système de lamelles (dans le cas d’un échangeur de type plat) pour prévoir une taille longitudinale (en X) plus importante ; une géométrie verticale (en Z) ondulée au lieu de plane ; et un nombre réduit de lamelles en vertical (en Z). Une variante illustrée en FIG. 3 comprend deux circuits de travail de refroidissement en parallèle, avec le même fluide de travail, ainsi que des boucles symétriques, composées de deux turbines T, deux pompes P, deux échangeurs HE, et deux génératrices G productrices de courant électrique. L’échangeur (radiateur R) est commun, et est situé au milieu du bloc avant du véhicule automobile. Dans ce cas, les échangeurs HE peuvent remplacer les brancards du bloc avant du véhicule, et remplir également la fonction de protection au choc, en même temps que la fonction de refroidissement. Concernant les détails de l’invention, le fluide de refroidissement du convertisseur (source chaude S telle qu’un moteur à combustion interne et/ou une machine électrique) ou du stockeur d’énergie (la batterie B) circule dans un premier circuit de refroidissement C1, qui traverse un premier échangeur de chaleur HE. L’échangeur de chaleur HE est disposé dans l’axe Y du bloc avant et peut avoir également une fonction de structure (remplaçant le brancard par exemple). L’échangeur HE peut être constitué soit en nid d’abeilles, soit de tubes. Il est traversé par deux fluides – le fluide qui refroidit le convertisseur (source S)/stocke de l’énergie, et le fluide de travail qui est dans le deuxième cycle de travail – de préférence de l’ammoniac. A l’intérieur de l’échangeur HE, un échange de chaleur se passe donc entre le fluide de refroidissement (chaud) du convertisseur et le l’ammoniac (froid). Le circuit de travail externe à l’ammoniac a une double fonction : prendre la chaleur de la source chaude S et produire de l’électricité, c’est-à-dire convertir la chaleur dissipée dans l’ammoniac en travail pour produire de l’électricité. Une fois l’ammoniac chauffé au contact avec les parois de l’échangeur HE par le fluide de la source chaude S, l’ammoniac change de phase, grâce à ces propriétés thermodynamiques, et devient en phase supercritique et en vapeur. Donc, il a une température et pression élevée. L’ammoniac dans cet état supercritique fait sa détente (chute de pression) en passant par une turbine T. La chute de pression et le flux du fluide font tourner la turbine T, ainsi un travail mécanique est produit à la sortie de l’arbre de la turbine T. Pour convertir ce travail mécanique et l’utiliser sous une forme utile, nous proposons de brancher sur le même arbre tournant une génératrice électrique G, qui en tournant produit de l’électricité. Cette électricité peut alors être stockée dans une autre batterie B, ou d’être renvoyée dans le réseau (si nous avons une batterie rechargeable de haute tension à refroidir). Une fois que l’ammoniac a traversé la turbine T, il perd en pression et en température. Afin de le ramener dans son état liquide et le condenser, un radiateur R, faisant office de condenseur, est traversé. L’ammoniac est ainsi condensé à température d’air ambiant. L’échange dans le radiateur R se fait entre l’ammoniac et entre l’air. La structure du radiateur R peut être un nid d’abeilles ou des tubes. Le radiateur R n’a plus besoin d’être positionné à un flux d’air fort ou forcé par un ventilateur, on peut donc déplacer le radiateur R et libérer la place en avant du bloc avant du véhicule. Cela donne plus de liberté dans l’architecture et le style du véhicule. Une fois l’ammoniac revenu en phase liquide est pompé par une pompe électrique P, en boucle vers l’échangeur de chaleur HE pour reproduire du travail mécanique dans la turbine T, et donc de l’électricité. Une variante du système peut être imaginée. Elle est présentée dans la FIG. 3 . Les inventeurs prévoient de rendre deux cycles de refroidissement et de travail, symétriques de chaque côté, et les échangeurs de chaleur HE peuvent avoir les fonctions d’échangeurs, mais également de constituer les deux brancards du véhicule. Les échangeurs de chaleur HE peuvent être constitués de nid d’abeilles ou de tubes. Le radiateur R (échangeur de chaleur ou condenseur) peut être placé en face avant du véhicule, mais également sur le côté ou en arrière, s’il est nécessaire de libérer de la place pour d’autres composants, au sein du bloc avant. Le système de refroidissement peut être intégré pour des fonctions structurelles dans des structures au centre du bloc avant, ou sur les côtés latéraux du bloc avant. Dans le cas d’intégration aux brancards (côtés latéraux du bloc avant ), le système est efficace en thermique et en choc grâce à la définition interne d’une structure tubulaire, disposant d’une géométrie tridimensionnelle conventionnelle (de type réseau tubulaire) ou optimisée selon les caractéristiques de type TPMS (pour « triply periodic minimal surface » en langue anglaise) avec des ondulations dans le sens du flux dans les canalisations. Dans le cas d’une intégration à une structure centrée dans le bloc avant, le système de refroidissement en objet a une géométrie type nid d’abeille, comme illustré en FIG. 4 . Dans le cas de réalisation par une structure à nid d’abeille, chaque couche ondulée est en réalité un conduit pour faire circuler le fluide réfrigérant. Le choix du fluide peut aussi être optimisé afin d’optimiser la surface nécessaire à la fonction thermique. La profondeur T1, où T1 est dans la direction X du véhicule, peut être de l’ordre de 200 – 500 mm ; cela sera le résultat du compromis entre : - exigence thermique : en fonction de la température, du type de fluide et de la surface ; - exigence de résistance au choc : par rapport au niveau d’énergie à absorber ; - en fonction du volume disponible dans le bloc avant ; pour cela, les architectures favorables sont : des véhicules avec un bloc avant long, ou des moteurs à l’arrière ou intégrés dans les roues ou en tout cas petit moteur dans la partie arrière du bloc avant. Ce type de géométrie est aussi efficace en choc, par un écrasement des cellules longitudinalement ; un maintien d’un effort quasi constant jusqu’à compactage complet de l’ensemble ; une absorption d’énergie lié à l’effort constant sur la course d’écrasement. Le niveau d’effort est ajustable en fonction de la taille des cellules (suivant T1) et les épaisseurs. Ce type de structure est caractéristique de toutes les barrières déformables utilisées pour les protocoles de choc. Véhicule automobile dans un repère dans l’espace comprenant un axe de longitudinal (X) suivant une direction de déplacement du véhicule automobile ; un axe latéral (Y) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X), et un axe vertical (Z) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) et à l’axe latéral (Y), le véhicule automobile comprenant une source de chaleur (S) et un système de refroidissement pour refroidir la source de chaleur (S), le système de refroidissement comprenant : - un radiateur (R) ; - au moins une pompe de circulation (P) ; - au moins un échangeur de chaleur (HE) ; - au moins une turbine (T) connectée à une génératrice (G) ; - au moins un premier circuit de refroidissement (C1) comprenant un premier fluide, connectant le radiateur (R) à ladite pompe (P), puis audit échangeur de chaleur (HE), puis à ladite turbine (T) ; et - au moins un deuxième circuit de refroidissement (C2) comprenant un deuxième fluide, connectant ledit échangeur de chaleur (HE) à la source (S). Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice (G) est connectée à une batterie (B). Véhicule automobile selon la revendication 2, dans lequel la batterie (B) est une batterie de traction (B). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le radiateur (R) a une structure en nid d’abeille ou en tubes parallèles avec des orifices agencés longitudinalement suivant l’axe longitudinal (X). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur (HE) a une structure en nid d’abeille ou en tubes parallèles avec des orifices agencés longitudinalement suivant l’axe longitudinal (X). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier fluide comprend de l’ammoniac ou du bioéthanol. Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le deuxième fluide comprend un liquide de refroidissement. Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend : - deux premiers circuits de refroidissement (C1) connectant, chacun, ledit radiateur (R) à une pompe (P) respective, puis à un échangeur de chaleur (HE) respectif, puis à une turbine (T) respective ; - deux deuxièmes circuits de refroidissement (C2) connectant, chacun, ledit l’échangeur de chaleur (HE) respectif à la source (S). Véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la source de chaleur (S) comprend un moteur à combustion interne et/ou une machine électrique. Procédé de refroidissement d’une source de chaleur d’un véhicule automobile selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant les étapes suivantes : - mettre en place au moins un premier circuit de refroidissement (C1) comprenant un premier fluide, connectant le radiateur (R) à ladite pompe (P), puis audit échangeur de chaleur (HE), puis à ladite turbine (T) ; et au moins un deuxième circuit de refroidissement (C2) comprenant un deuxième fluide, connectant ledit échangeur de chaleur (HE) à la source (S) ; et - actionner ladite pompe (P) de sorte à refroidir la source de chaleur (S).