ES2299673T3 - Dispositivo de gestion termica, particularmente para un vehiculo automovil equipado con una pila de combustible. - Google Patents

Dispositivo de gestion termica, particularmente para un vehiculo automovil equipado con una pila de combustible. Download PDF

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Gerard Olivier
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Abstract

Dispositivo de gestión térmica de una pluralidad de intercambiadores térmicos (12, 13, 14, 15, 20, 21), particularmente para un vehículo automóvil (V) equipado con una pila de combustible, que comprende - un circuito primario frigorígeno (1) en el cual se hace circular un fluido frigorígeno y en el cual se insertan en serie al menos un compresor (9), un condensador (2), un descompresor (5), y un primer evaporador (3), - un circuito secundario (11) en el cual se hace circular un fluido portador de calor y que comprende a) primera (34), segunda (52) y tercera (56) ramas paralelas en las cuales se insertan uno primero (15) de entre los citados intercambiadores, el citado condensador (2) y el citado evaporador (3), respectivamente, b) medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47) de la citada primera rama (34) con la citada segunda rama (52) o la citada tercera rama (56), c) medios de puesta en circulación (54, 58) del citado fluido portador de calor, y d) medios de mando (75) del citado compresor (9), de los citados medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47) y de los citados medios de puesta en circulación (54, 58), caracterizado porque el citado circuito primario (1) comprende además medios de inversión (10) del sentido de la circulación del citado fluido primario en los citados condensador (2) y evaporador (3), de manera que condensan y evaporan o evaporan y condensan, selectivamente, el citado fluido primario en los citados condensador (2) y evaporador (3), respectivamente.

Description

Dispositivo de gestión térmica, particularmente para un vehículo automóvil equipado con una pila de combustible.
La invención se refiere a un dispositivo de gestión térmica de una pluralidad de intercambiadores térmicos, particularmente para un vehículo automóvil equipado con una pila de combustible, que comprende
- un circuito primario frigorígeno en el cual se hace circular un fluido frigorígeno y en el cual están insertados en serie al menos un compresor, un condensador, un descompresor y un evaporador,
- un circuito secundario en el cual se hace circular un fluido portador de calor y que comprende
a)
primera, segunda y tercera ramas paralelas en las cuales se insertan uno primero de entre los citados intercambiadores, el citado condensador y el citado evaporador, respectivamente,
b)
medios de conexión selectiva de la citada primera rama con la citada segunda rama o la citada tercera rama,
c)
medios de puesta en circulación del citado fluido portador de calor,
d)
medios de mando del citado compresor, de los citados medios de conexión selectiva y de los citados medios de puesta en circulación.
Se conoce de la solicitud de patente FR 0 111 603 depositada por la Solicitante el 7 de Septiembre de 2001 un dispositivo de gestión térmica de una pluralidad de intercambiadores térmicos que pueden presentarse en un vehículo automóvil equipado con una pila de combustible. Estos intercambiadores están en relación de intercambio térmico con órganos del vehículo que deben ser calentados y/o refrigerados, por ejemplo, el habitáculo de vehículo, la pila de combustible, las baterías, el motor eléctrico, o un grupo de componentes electrónicos.
El dispositivo descrito en la solicitud de patente FR 0 111 603, comprende un circuito primario frigorígeno en el cual están insertados en serie un compresor, un condensador, un descompresor y un evaporador. Un fluido frigorígeno, puesto en circulación en el circuito primario, libera energía calorífica durante su condensación en el condensador y energía frigorífica durante su evaporación en el evaporador.
Este dispositivo comprende igualmente un circuito secundario en el cual circula un fluido portador de calor y en el cual están insertados intercambiadores, el citado condensador y el citado evaporador, así como medios de puesta en relación de intercambio térmico, por mediación del fluido portador de calor, intercambiadores selectivamente con el condensador o el evaporador, de manera que cada uno de los intercambiadores pueda recibir selectivamente energía calorífica o frigorífica, respectivamente.
En este objeto, el circuito secundario comprende conductos secundarios equipados con válvulas y que conectan o "ramifican" cada intercambiador con el condensador y con el evaporador. Según la posición de estas válvulas, el fluido portador de calor que atraviesa un intercambiador puede provenir del condensador o del evaporador.
El circuito secundario resulta por consiguiente tanto más complejo cuanto mayor es el número de intercambiadores. La longitud de los conductos de este circuito aumenta igualmente. El coste del dispositivo aumenta igualmente en consecuencia. La solicitud de patente europea EP 0595 714, que está considerada como el estado de la técnica más próximo, describe igualmente tal dispositivo.
El objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de gestión térmica que presenta las ventajas del dispositivo de acuerdo con la solicitud de patente nº 0 111 603, o según la solicitud de patente europea EP 0 595 714, pero que comprende una longitud de conductos secundarios inferior a la de estos últimos.
Se alcanza este objeto por medio de un dispositivo del tipo descrito en el preámbulo notable porque el citado circuito primario comprende además medios de inversión del sentido de la circulación del citado fluido primario en los citados condensador y evaporador, de manera que condense y evapore selectivamente, o evapore y condense, el citado fluido primario en los citados condensador y evaporador, respectivamente.
Como se verá con más detalle a continuación, la selección de la naturaleza calorífica o frigorífica de la energía recibida por el citado intercambiador térmico puede así resultar de una inversión de las funciones del condensador y del evaporador. El intercambiador ya no debe por consiguiente necesariamente estar conectado al condensador y al evaporador. La arquitectura del circuito secundario es simplificada y la longitud de los conductos reducida.
De acuerdo con otras características de la presente invención,
- el citado conducto secundario comprende al menos una cuarta rama paralela a las citadas primera, segunda y tercera ramas y en la cual es insertado al menos uno segundo de entre los citados intercambiadores y medios de conexión de la citada cuarta rama con una de las citadas segunda y tercera ramas cuando la citada primera rama está conectada con las otras citadas segunda y tercera ramas, de manera que constituyan primero y segundo sub-circuitos independientes, y medios de puesta en circulación del citado fluido portador de calor en los citados sub-circuitos;
- el citado circuito secundario comprende al menos quinta y sexta ramas, en las cuales son insertados tercero y cuarto de entre los citados intercambiadores, respectivamente, comprendiendo además el citado circuito secundario
- medios de conexión selectiva de la citada quinta rama con una cualquiera de las citadas segunda y tercera ramas, de manera que inserten selectivamente el citado tercer intercambiador en uno de los citados primer y segundo sub-circuitos,
- medios de conexión selectiva de la citada sexta rama con una cualquiera de las citadas segunda y tercera ramas, de manera que inserten selectivamente el citado cuarto intercambiador en uno de los citados primer y segundo sub-circuitos,
- medios de conexión selectiva de la citada quinta rama con la citada sexta rama, de manera que constituyan un tercer sub-circuito independiente de los citados primer y segundo sub-circuitos, y
- medios de puesta en circulación del citado fluido portador de calor en los citados sub-circuitos;
- el citado circuito secundario comprende medios de conexión destinados a conectar simultáneamente la citada quinta rama, la citada sexta rama, y al menos una de las citadas segunda y tercera ramas;
- el citado circuito secundario comprende al menos una séptima rama de derivación del citado cuarto intercambiador y medios de ajuste del caudal del citado fluido portador de calor en la citada rama de derivación;
- el citado circuito primario comprende un segundo evaporador en relación de intercambio térmico con un habitáculo del citado vehículo;
- el citado segundo evaporador está conectado en paralelo con el citado primer evaporador;
- el citado segundo evaporador y al menos uno de entre los citados intercambiadores del citado circuito secundario, destinados al calentamiento y a la climatización del citado habitáculo, son insertados en un sistema que comprende un conducto de llegada de aire al citado segundo evaporador y al citado intercambiador, una primera mariposa o aleta dispuesta en la trayectoria del citado aire y cuya posición determina las fracciones del citado aire dirigidas hacia el citado segundo evaporador y hacia el citado intercambiador, y una segunda mariposa o aleta dispuesta en la trayectoria del aire que atraviesa el citado intercambiador y cuya posición determina las fracciones del citado aire evacuadas hacia el exterior y hacia el citado habitáculo;
- uno de los citados intercambiadores es un aerotermo atravesado por el aire destinado a circular en un habitáculo del citado vehículo, o un radiador en relación de intercambio térmico con el exterior del citado vehículo, o está en relación de intercambio térmico con la citada pila de combustible, o está en relación de intercambio térmico con al menos una batería del citado vehículo, o está en relación de intercambio térmico con un grupo de componentes electrónicos del citado vehículo, o está en relación de intercambio térmico con un deshumidificador;
- un sistema de almacenamiento de frío está insertado en el citado circuito secundario, comprendiendo el citado circuito secundario además medios de derivar el citado fluido portador de calor del citado sistema de almacenamiento de frío y medios de ajuste del caudal del citado fluido portador de calor en el citado sistema de almacenamiento de frío.
Otras características y ventajas de la presente invención se harán evidentes con la lectura de la descripción que sigue y a través del dibujo adjunto en el cual:
- las figuras 1 a 4 representan esquemáticamente el dispositivo de acuerdo con la invención en diferentes modos de funcionamiento, en el modo de realización preferido de la invención;
- la figura 5 representa un detalle del sistema del dispositivo de acuerdo con la invención destinado particularmente al calentamiento y a la climatización del habitáculo del vehículo.
Dos órganos son llamados "unidos" o "conectados" entre sí si están insertados en un mismo circuito.
Se llama "conexión" entre dos órganos a la situación en la cual un fluido puede circular entre estos dos órganos.
Dos órganos "unidos" o "conectados" pueden por consiguiente ser conectados entre sí o no, por ejemplo de acuerdo con la posición abierta o cerrada, respectivamente, de una válvula insertada en un conducto que conecta estos dos órganos.
El dispositivo representado en las figuras 1 a 4 comprende un circuito primario o circuito frigorígeno 1, en el cual se hace circular un fluido frigorígeno y que comprende tres ramas paralelas 1a, 1b y 1c y un bucle de inversión 1d.
En las tres ramas 1a, 1b y 1c, están respectivamente insertados un condensador 2 y primero y segundo evaporadores, 3 y 4 respectivamente. Los evaporadores 3 y 4 están asociados a descompresores 5 y 6, respectivamente, y a válvulas 7 y 8, respectivamente. El segundo evaporador 4 está en relación de intercambio térmico con un habitáculo del vehículo, no representado, y se llama además "primer aerotermo".
El bucle de inversión 1d comprende un compresor 9, cuya entrada está referenciada 9' y la salida 9''. Está unida por mediación de una válvula de cuatro vías 10, por una parte al condensador 2, por otra parte a las válvulas 7 y 8, de manera que permitan, según la posición de la válvula de cuatro vías 10, la conexión selectiva de la entrada 9' y de la salida 9'' del compresor 9 con el condensador 2 por una parte y las válvulas 7 y 8 por otra parte, respectivamente, o con las válvulas 7 y 8 por una parte y el condensador 2 por otra parte, respectivamente.
El condensador 2 y el evaporador 3 están igualmente insertados en un circuito secundario 11 en el cual se hace circular un fluido portador de calor, por ejemplo agua destilada.
En el circuito secundario 11 están igualmente insertados una pluralidad de intercambiadores térmicos en relación térmica con una pluralidad de órganos de un vehículo V, indicado simbólicamente, definiendo cada par de intercambiador-órgano una unidad funcional.
Cuando el fluido portador de calor es compatible con un órgano, puede estar en contacto con él, estando entonces el intercambiador y el órgano confundidos. Por el contrario, la relación de intercambio térmico entre un órgano y un intercambiador puede ser realizada por mediación de un fluido portador de calor como por ejemplo aire o aceite.
Para mayor claridad, sólo se han representado los intercambiadores de las diferentes unidades funcionales del vehículo V.
El circuito secundario 11 comprende diez intercambiadores 12 a 21.
El intercambiador 12 o "intercambiador de pila" está en relación de intercambio térmico con una pila de combustible para llevar y mantener su temperatura en un intervalo de funcionamiento óptimo. Eventualmente se confunde con la propia pila.
El intercambiador 13, o "regenerador de deshumidificador", está selectivamente en relación de intercambio térmico con un deshumidificador de aire de manera que lo regenere, es decir, que evapore el agua que este último ha condensado, por ejemplo deshumidificando el aire destinado a ser refrigerado por el dispositivo de climatización del habitáculo del vehículo V. El intercambiador 13 está asociado a una válvula 23.
Los intercambiadores 14 y 15, o "segundo y tercero aerotermos", están en relación de intercambio térmico con el habitáculo del vehículo V. El intercambiador 14 está dispuesto de manera que es atravesado por el aire extraído del habitáculo.
Los intercambiadores 17 y 18, montados paralelamente uno a otro, están en relación de intercambio térmico con una o varias baterías y con un grupo de componentes electrónicos, respectivamente.
Finalmente los intercambiadores 20 y 21, o primer y segundo radiadores, respectivamente, están en relación de intercambio térmico con el aire exterior.
Preferentemente, el intercambiador 20 está asociado a un ventilador 28.
El ventilador 28 puede estar igualmente asociado al intercambiador 21.
El circuito secundario 11 comprende siete ramas paralelas 31 a 37.
En las seis ramas 31 a 36 están insertados respectivamente el intercambiador de pila 12 y la bomba 38, el regenerador de deshumidificador 13 y la válvula 23, el intercambiador 14 y una válvula 39, el aerotermo 15 asociado por un lado a una válvula de tres vías 40, por otro lado a una válvula de tres vías 41, el primer radiador 20 asociado por un lado a una válvula de tres vías 43, por otro lado a una válvula de tres vías 47, y el segundo radiador 21 asociado a una válvula de tres vías 48.
La séptima rama 37 es una rama de derivación del segundo radiador 21. Está conectada a la válvula de tres vías 48.
Las ramas 31 a 37 están conectadas entre sí por primera y segunda ramas comunes, 49 y 50 respectivamente, estando la rama común 49 conectada a la válvula de tres vías 48.
El circuito secundario 11 comprende también una rama 52, conectada por una parte a la válvula de tres vías 43, por otra parte a la válvula de tres vías 47, y en la cual están insertadas una bomba 54 y el condensador 2, así como una rama 56, conectada por una parte a la válvula de tres vías 40, por otra parte a la válvula de tres vías 41, y en la cual están insertados el evaporador 3, una bomba 58 y una válvula de tres vías 60.
Una rama de derivación 62 que comprende en serie un sistema de almacenamiento de frío 65, por ejemplo un globo que permite almacenar el fluido portador de calor refrigerado cuando atraviesa el evaporador 3, una válvula de tres vías 67, y un conjunto 69 que comprende los intercambiadores 17 y 18 conectados en paralelo, está conectada por una parte a la salida de la bomba 58, por otra parte en un punto 71 de la rama 56 situado inmediatamente aguas arriba de la válvula de tres vías 41. Una rama 73 conecta entre sí las dos válvulas de tres vías 60 y 67.
El sistema de almacenamiento de frío 65 puede igualmente comprender un globo que contiene un fluido susceptible de almacenar energía frigorífica por cambio de fase (por ejemplo de líquido a sólido) cuando atraviesa el fluido portador de calor refrigerado en el evaporador 3 y emitir esta energía por cambio de fase inverso cuando atraviesa un fluido portador de calor más caliente.
Preferentemente, los descompresores 5 y 6 del circuito primario y las válvulas del circuito secundario son de caudal ajustable de manera continua, de modo que las cantidades de energía calorífica o frigorífica transferidas por un intercambiador sean ajustables con precisión.
El dispositivo de acuerdo con la invención comprende finalmente medios de mando, por ejemplo un calculador 75, que controlan y mandan al compresor 9 y a las diferentes válvulas y bombas, en función principalmente de mediciones de las temperaturas de la pila de combustible T_{pila}, y de las temperaturas T_{1} a T_{4} del regenerador de deshumidificador, del aire del habitáculo, de las baterías, y del grupo de componentes electrónicos, respectivamente, con el fin de suministrar a sus intercambiadores respectivos una potencia térmica adaptada a sus necesidades.
La figura 5 ilustra un sistema destinado a optimizar la eficacia del aerotermo 15 y del evaporador 4.
Este sistema comprende un conducto 101 de llegada de aire que proviene de una mezcla ajustada de aire exterior y de aire reciclado del habitáculo, una primera mariposa 102, una segunda mariposa 104, y conductos 106 y 108 de evacuación de aire hacia el exterior y hacia el habitáculo, respectivamente.
El aire entra por el conducto 101 (flecha F1), es dirigido por una parte hacia el aerotermo 15 (flecha F2) y por otra parte hacia el evaporador 4 (flecha F3), de acuerdo con la posición de la mariposa 102.
La posición de la segunda mariposa 104 determina las fracciones de aire que han atravesado el aerotermo 15 evacuadas hacia el exterior (flecha F4) por el conducto 106 y hacia el habitáculo (flecha F5) por el conducto 108.
El aire que ha atravesado el evaporador 4 es evacuado hacia el habitáculo (flecha F6) por el conducto 108.
Ventajosamente, este sistema permite transformar el aerotermo 15 en elemento de calentamiento o de climatización del habitáculo, o en medio de evacuación de energía hacia el exterior del vehículo V.
Las figuras 1 a 4 ilustran el funcionamiento del dispositivo en cuatro situaciones principales, respectivamente el arranque en frío en verano, el funcionamiento estabilizado, es decir fuera de la fase de arranque, en verano, el arranque en frío en invierno, y el funcionamiento estabilizado en invierno.
La situación "en verano", respectivamente "en invierno", se refiere a una situación que necesita una refrigeración, respectivamente un calentamiento, del habitáculo.
La tabla 1 a continuación resume las posiciones de los diferentes órganos del dispositivo de acuerdo con la invención en las diferentes situaciones.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 1
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Las flechas representadas en las figuras 1 a 4 indican el sentido de circulación de los fluidos.
El circuito primario 1 puede funcionar como climatizador o como bomba de calor, según la posición de la válvula de cuatro vías 10.
En la primera posición posición de la válvula de cuatro vías 10 (figuras 1 y 2), por el compresor 9 se condensa, al menos en parte, en el condensador 2, produciendo energía calorífica, después es expandido por al menos uno de los descompresores 5 y 6 para evaporarse a continuación, al menos en parte, en al menos uno de los evaporadores 3 y 4, respectivamente, produciendo energía frigorífica, antes de volver, por mediación de la válvula de cuatro vías 10 a la entrada 9' del compresor 9.
En la segunda posición de la válvula de cuatro vías 10, correspondiente al funcionamiento como bomba de calor, el fluido frigorígeno que sale del compresor 9 se condensa, al menos en parte, en al menos uno de los evaporadores 3 y 4, después es expandido por al menos uno de los descompresores 5 y 6, respectivamente, para evaporarse a continuación, al menos en parte, en el condensador 2 antes de volver, por mediación de la válvula de cuatro vías 10, a la entrada 9' del compresor 9.
El cambio de posición de la válvula de cuatro vías 10 permite así invertir las funciones del condensador 2 y de los evaporadores 3 y 4.
En la situación de arranque en verano (figura 1), el circuito primario funciona como climatizador, siendo liberada energía frigorífica en los dos evaporadores 3 y 4.
La energía frigorífica liberada en el evaporador 4 es transferida, al menos en parte, directamente al habitáculo por circulación de aire alrededor del evaporador 4, estando las mariposas 102 y 104 respectivamente en posición intermedia y de cierre del conducto 106.
La energía frigorífica liberada en el evaporador 3 es transferida, al menos en parte, al fluido portador de calor puesto en circulación por la bomba 58, y después al aerotermo 15 y, por circulación de aire alrededor de este último, al habitáculo del vehículo.
La presencia del evaporador 4 no es indispensable en la invención. Ventajosamente, permite disponer de una segunda fuente frigorífica para refrigerar el habitáculo.
Ventajosamente, para limitar la producción de energía frigorífica por el circuito frigorígeno, y por consiguiente el consumo energético del compresor 9, las válvulas de tres vías 60 y 67 están situadas de manera que permiten una circulación del fluido portador de calor a través del sistema de almacenamiento de frío 65. Así la energía frigorífica, previamente almacenada en el sistema 65 en las situaciones de liberación excedentaria de energía frigorífica por el circuito primario, es transferida al fluido portador de calor.
El pequeño consumo energético del compresor 9 permite ventajosamente reducir la potencia demandada a la pila de combustible en una situación en la cual la temperatura no es óptima y en la cual su rendimiento es malo.
Las válvula de tres vías 40 y 41 están situadas de manera que el fluido portador de calor circula en bucle en un primer sub-circuito C1, atravesando sucesivamente el evaporador 3, la bomba 58, eventualmente el sistema de almacenamiento de frío 65 y la válvula de tres vías 67, las válvulas de tres vías 60 y 41, el aerotermo 15 y la válvula de tres vías 40.
En el arranque, la pila de combustible debe ser calentada para alcanzar una temperatura de funcionamiento óptima, es decir, que permita un buen rendimiento energético.
El fluido portador de calor, puesto en circulación por la bomba 38, es calentado por calorías producidas por la condensación del fluido frigorígeno en el condensador 2 cuando atraviesa este último. Así calentado, circula hasta que el intercambiador de pila 12 en el que restituye energía calorífica a la pila, antes de volver, por medio de la válvula 43 al condensador 2. El fluido portador de calor circula así en bucle en un segundo sub-circuito C2 independiente del primero, es decir que el fluido portador de calor del segundo sub-circuito C2 no se mezcla con el que circula en el primer sub-circuito C1.
Cuando la temperatura de la pila T_{pila} es satisfactoria (situación no representada), por ejemplo porque alcanza aproximadamente 60ºC, el aporte de energía calorífica a la pila por el fluido portador de calor debe cesar, pero la producción de energía calorífica en el condensador 2 debe mantenerse para permitir una liberación de energía frigorífica en los evaporadores 3 y 4.
Las válvulas de tres vías 43, 47 y 48 cambian de posición y la bomba 54 es puesta en marcha de manera que habiendo el fluido portador de calor atravesado el condensador 2 circule en bucle, en un sub-circuito de refrigeración del condensador 2 independiente del primer sub-circuito C1, a través de la bomba 54, la válvula de tres vías 43, el radiador 20, y la válvula de tres vías 47. Las calorías producidas en el condensador 2 y transferidas al fluido portador de calor son así evacuadas hacia el exterior, por mediación del radiador 20. Si es necesario, el ventilador 28 se pone en marcha.
En el caso en que el intercambiador de pila 12 está incorporado a la pila, la bomba 38 permanece preferentemente en marcha y la válvula de tres vías 48 se sitúa de manera que el fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 atraviesa la rama de derivación 37 antes de volver al intercambiador de pila 12. La circulación del fluido portador de calor, en un sub-circuito independiente de los sub-circuitos C1 y de refrigeración del condensador 2, ya no tiene como objetivo calentar la pila, sino, ventajosamente, homogeneizar su temperatura.
En la situación en funcionamiento estabilizado, en verano (figura 2) el habitáculo, la pila, los componentes electrónicos y las baterías deben ser refrigerados. La tabla 1 indica las posiciones de los diferentes órganos del dispositivo de acuerdo con la invención.
El circuito primario funciona como climatizador de manera que libera energía frigorífica por evaporación del fluido frigorígeno en el evaporador 4.
La mariposa 102 está en posición intermedia, de manera que el habitáculo pueda ser refrigerado por esta energía frigorífica.
Preferentemente, la válvula 7 está cerrada y el evaporador 3 está inactivo, es decir, que no es la base de ninguna liberación de frigorías por evaporación del fluido frigorígeno.
El fluido portador de calor del circuito secundario circula en tres sub-circuitos independientes.
El primero de estos sub-circuitos, C1', está destinado a la refrigeración de las baterías y de los componentes electrónicos. Comprende sucesivamente el conjunto 69 de los intercambiadores 17 y 18, la válvula de tres vías 41, el aerotermo 15, la válvula de tres vías 40, el evaporador 3, la bomba 58 y la válvula de tres vías 60. Las calorías transferidas al fluido portador de calor por los intercambiadores 17 y 18 son evacuadas hacia el exterior por mediación del aerotermo 15, estando las mariposas 102 y 104 respectivamente en posición intermedia y de cierre del acceso del aire hacia el conducto 108.
Ventajosamente, el aerotermo 15 puede por consiguiente servir de medio de transferencia térmica hacia el exterior o hacia el habitáculo.
Ventajosamente, el evaporador 4 tiene una capacidad de intercambio térmico adaptada para satisfacer las necesidades frigoríficas del habitáculo en la situación en funcionamiento estabilizado, en verano. Se recurre al evaporador 3 y al aerotermo 15 sólo en las situaciones en las que las necesidades frigoríficas del habitáculo son elevadas y temporales, por ejemplo en la situación de arranque en verano (figura 1), cuando es necesario "ventilar" el habitáculo y renovar rápidamente el aire que contiene.
En estas situaciones, la utilización de energía calorífica almacenada en el sistema de almacenamiento 65 permite ventajosamente aumentar más la cantidad de energía frigorífica proporcionada al habitáculo.
La disposición del evaporador 4 y del aerotermo 15 en el sistema representado en la figura 5 confiere así una gran flexibilidad para su utilización, ventajosa para optimizar el consumo energético del compresor 9 y el tamaño de los intercambiadores.
En la configuración representada en la figura 2, el evaporador 3 está inactivo y el fluido portador de calor no recibe sensiblemente ninguna energía frigorífica al atravesarlo. La refrigeración de los intercambiadores 17 y 18 está así asegurada sólo por medio de las frigorías del aire exterior transferidas al fluido portador de calor a través del aerotermo 15. El compresor 9 no funciona más que para producir la energía frigorífica de refrigeración del habitáculo, lo que limita su consumo energético.
Si la temperatura de los intercambiadores 17 y 18 aumenta excesivamente (situación no representada), o si se alcanza la temperatura máxima de la pila, la válvula 7 puede abrirse de manera que se activa el evaporador 3. Se puede igualmente recurrir a la energía frigorífica almacenada en el sistema de almacenamiento 65.
Finalmente, se puede utilizar el evaporador 3 y el aerotermo 15 simultáneamente para refrigerar el fluido portador de calor en el caso en el que el aerotermo 15 solo no es suficiente.
El segundo sub-circuito C2' está destinado a la refrigeración de la pila. En el sub-circuito C2', el fluido portador de calor, puesto en circulación en bucle cerrado por la bomba 38, atraviesa el intercambiador de pila 12, y después es refrigerado a través del radiador 21.
La válvula 23 puede abrirse para que el intercambiador 13 evacue calorías con el fin de regenerar el deshumidificador de aire. Ventajosamente, el intercambiador 13 sirve por consiguiente simultáneamente de medio de evacuación de las calorías liberadas por la pila y de medio de regeneración del deshumidificador.
El tercer sub-circuito C3' está destinado a la evacuación, hacia el exterior del vehículo V y por mediación del radiador 20, de las calorías liberadas por la condensación del fluido frigorígeno en el condensador 2 y transferidas al fluido portador de calor en este condensador 2. El sub-circuito C3' funciona como el sub-circuito de refrigeración del condensador 2 descrito precedentemente.
En esta configuración, el circuito secundario comprende así tres sub-circuitos C1', C2' y C3', independientes y correspondientes a los circuitos de refrigeración de las baterías y del grupo de componentes electrónicos, de la pila, y del condensador 2, respectivamente.
Si la temperatura de la pila aumenta a pesar de la evacuación de calorías a través del regenerador de deshumidificador 13 y del radiador 21 (situación no representada), la posición de las válvulas 43 y 47 se modifica de manera que una fracción del fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 sea desviada a la rama 35 y refrigerada a través del radiador 20.
Si la potencia de la pila de combustible genera una cantidad de energía calorífica demasiado elevada para que los radiadores 20 y 21 y el regenerador de deshumidificador 13 no sean suficientes para evacuarla, la bomba 58 se para y las tres vías de las válvulas 40 y 41 se abren. El fluido portador de calor que sale del intercambiador de pila 12 es entonces en parte refrigerado a través del regenerador de deshumidificador 13, refrigerado en parte a través de los radiadores 20 y 21, refrigerado en parte a través del aerotermo 15, y en parte desviado hacia la rama 56 de manera que refrigera el conjunto 69 de refrigeración de las baterías y del grupo de componentes electrónicos.
Si, en esta configuración, la temperatura de la pila es siempre demasiado elevada, la válvula 39 se abre (situación no representada), permitiendo así que el fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 atraviese el intercambiador 14. El aire fresco que sale del habitáculo hacia el exterior y que atraviesa el intercambiador 14 refrigera así el fluido portador de calor antes de que vuelva a refrigerar la pila de combustible.
Una parte de las frigorías transferida al habitáculo por mediación del evaporador 4 es por consiguiente utilizada para refrigerar la pila. Esta característica es particularmente ventajosa, expulsándose si no estas frigorías hacia el exterior y perdiéndose.
En la situación de arranque en frío, en invierno, el habitáculo necesita calentamiento y la pila, las baterías y los componentes electrónicos necesitan eventualmente ser calentados. La figura 3 ilustra la situación en la que la pila necesita ser calentada, a diferencia de las baterías y de los componentes electrónicos.
El compresor 9 está en marcha, pero la posición de la válvula de cuatro vías 10 es invertida, de manera que el circuito primario 1 funcione como bomba de calor, liberando energía calorífica por condensación del fluido frigorígeno en los evaporadores 3 y 4, y energía frigorífica por evaporación del fluido frigorígeno en el condensador 2.
El habitáculo es calentado por las calorías producidas sólo en el evaporador 4, estando la mariposa 102 situada de manera que permite la circulación de aire del conducto 101 hacia el evaporador 4.
La bomba 58 no se pone en marcha más que en caso de necesidad de calentamiento del conjunto 69. El fluido portador de calor circula entonces en un sub-circuito C1'' idéntico al sub-circuito C1', pero en el cual atravesar el evaporador 3 proporciona energía calorífica al fluido portador de calor. Preferentemente, para limitar las pérdidas de energía calorífica, la mariposa 102 cierra el acceso al aerotermo 15. No obstante, abriendo, al menos parcialmente, la mariposa 102 y situando la mariposa 104 de manera que cierra el conducto 106 hacia el exterior, una parte de la energía calorífica transportada por el fluido portador de calor puede ser transferida al habitáculo, complementando a la energía calorífica proporcionada por el evaporador 4, pero en detrimento del calentamiento del conjunto 69.
En caso de necesidad de calentamiento de la pila (situación no representada), las válvulas 40 y 41 pueden situarse de manera que al menos una parte del fluido portador de calor que proviene del evaporador 3 atraviesa el intercambiador de pila 12.
Las válvulas 23 y 39 son entonces cerradas y las válvulas 43, 47 y 48 situadas de manera que eviten cualquier circulación del fluido portador de calor en las ramas 49 y 50.
Incluso cuando la pila no tiene necesidad de ser calentada, si el intercambiador de pila 12 se confunde con la pila, se puede establecer ventajosamente una circulación de fluido portador de calor en bucle a través de las ramas 31, 49, 37 y 50, con el fin de homogeneizar la temperatura de la pila y/o proporcionar el caudal necesario para la humidificación de la pila.
La energía frigorífica transferida al fluido portador de calor en el condensador 2 es evacuada hacia el exterior por mediación del radiador 20, circulando el fluido portador de calor en un sub-circuito independiente C3'' idéntico al sub-circuito C3'.
En la situación representada en la figura 3, el circuito secundario comprende dos sub-circuitos independientes, de calentamiento del conjunto 69, incluso del habitáculo, y de evacuación de frigorías por el radiador 20, respectivamente C1'' y C3''.
Cuando la pila está suficientemente caliente (situación no representada), la bomba 54 se para y las válvulas 43 y 47 se sitúan de manera que al menos una parte del fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 atraviese el condensador 2. La evaporación del fluido frigorígeno en el condensador 2 es favorecida por una temperatura elevada del fluido portador de calor que lo atraviesa. Ventajosamente, la temperatura elevada del fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 mejora por consiguiente la eficacia del circuito primario 1.
En la situación de funcionamiento estabilizado, en invierno (figura 4), la energía calorífica producida por las baterías y los componentes electrónicos es transferida, por medio del aerotermo 15 hacia el exterior y/o hacia el habitáculo, según la posición de la mariposa 104, permitiendo la mariposa 102 que el aire que circula en el conducto 101 atraviese el aerotermo 15. La posición de la mariposa 104 está determinada en función de las necesidades caloríficas del habitáculo.
Si esta energía calorífica es insuficiente para calentar el habitáculo (situación no representada), las válvulas 40 y 41 se sitúan de manera que fluido portador de calor que proviene del intercambiador de pila 12 atraviese el aerotermo 15.
Ventajosamente, el compresor 9 está en parada, lo que permite un ahorro de energía.
Si la temperatura de la pila aumenta a pesar de la evacuación de calorías a través del aerotermo 15, las capacidades de evacuación del dispositivo aumentarán como en la situación de funcionamiento estabilizado en verano (figura 2).
En todas las situaciones correspondientes a las configuraciones representadas en las figuras 1 a 4, el sistema de almacenamiento de frío 65 proporciona o recibe energía frigorífica del fluido portador de calor según las necesidades de los intercambiadores del circuito secundario.
Un captador de temperatura permite medir la temperatura del fluido portador de calor almacenado en el sistema de almacenamiento de frío 65, y evaluar así la cantidad de energía frigorífica aún almacenada.
La recarga del sistema 65 se hace cuando las necesidades de energía frigorífica son pequeñas. El circuito primario 1 funciona entonces como climatizador, la bomba 58 se pone en marcha y la válvula de tres vías 60 se sitúa de manera que el fluido portador de calor refrigerado por el evaporador 3 atraviesa el sistema de almacenamiento 65.
Como aparece ahora claramente, el dispositivo de acuerdo con la invención permite el ajuste térmico de uno o varios intercambiadores, y principalmente la selección de la producción de energía calorífica o de energía frigorífica en este o estos intercambiadores, no solamente por la acción sobre los medios de conexión selectiva insertados en el circuito secundario, sino también por la inversión de los papeles del condensador 2 y del evaporador 3.
Por ejemplo, para invertir la función de los intercambiadores 2, 3, 4, 15, 17, 18 y 20 en la configuración de funcionamiento estabilizado en verano, representada en la figura 2, es suficiente invertir la posición de la válvula de cuatro vías 10.
Para invertir la función de un gran número de intercambiadores del circuito secundario, es así muy rápido invertir la posición de la válvula de cuatro vías 10 y restablecer en su función inicial, por manipulación de válvulas del circuito secundario 11, algunos de los intercambiadores cuya función no debe ser invertida. Se ha de entender que la arquitectura del circuito secundario deberá entonces necesariamente conectar estos últimos intercambiadores a la vez al condensador 2 y a uno de los evaporadores 3 y 4.
Ventajosamente, la arquitectura del circuito secundario ofrece una gran flexibilidad para la gestión térmica de los intercambiadores del circuito secundario.
En comparación con el dispositivo descrito en la solicitud de patente FR 0 111 603, el dispositivo de acuerdo con la invención permite además, ventajosamente, insertar en el circuito primario 1, un intercambiador, en este caso el evaporador 4, que puede servir selectivamente para el calentamiento o para la refrigeración del habitáculo. El calentamiento o la refrigeración del habitáculo se hacen después de la condensación o la evaporación, respectivamente, del fluido frigorígeno en este intercambiador, sin que la energía calorífica o frigorífica tenga que transitar por un fluido portador de calor de un circuito secundario. El rendimiento energético es igualmente mejorado.
Se ha de entender que la presente invención no está limitada al modo de realización descrito y representado, proporcionado a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo.
En particular, el funcionamiento del dispositivo de acuerdo con la invención no está limitado a las situaciones representadas en las figuras 1 a 4.
Además, los diferentes intercambiadores del circuito secundario pueden estar en relación de intercambio térmico con órganos cualesquiera, en particular diferentes a los descritos, con el habitáculo del vehículo o con el exterior del vehículo. Por ejemplo, un intercambiador tal como el intercambiador 20 o el intercambiador 12 pueden estar en relación de intercambio térmico con la pila, el exterior, el habitáculo, las baterías, los componentes electrónicos u otros órganos del vehículo.
La invención se refiere por consiguiente a un dispositivo de gestión térmica de uno o varios intercambiadores dispuestos de acuerdo con una arquitectura tal como la representada en las figuras 1 a 4, o equivalente, independientemente del destino de la energía calorífica o frigorífica transferida por este o estos intercambiadores.

Claims (10)

1. Dispositivo de gestión térmica de una pluralidad de intercambiadores térmicos (12, 13, 14, 15, 20, 21), particularmente para un vehículo automóvil (V) equipado con una pila de combustible, que comprende
- un circuito primario frigorígeno (1) en el cual se hace circular un fluido frigorígeno y en el cual se insertan en serie al menos un compresor (9), un condensador (2), un descompresor (5), y un primer evaporador (3),
- un circuito secundario (11) en el cual se hace circular un fluido portador de calor y que comprende
a)
primera (34), segunda (52) y tercera (56) ramas paralelas en las cuales se insertan uno primero (15) de entre los citados intercambiadores, el citado condensador (2) y el citado evaporador (3), respectivamente,
b)
medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47) de la citada primera rama (34) con la citada segunda rama (52) o la citada tercera rama (56),
c)
medios de puesta en circulación (54, 58) del citado fluido portador de calor, y
d)
medios de mando (75) del citado compresor (9), de los citados medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47) y de los citados medios de puesta en circulación (54, 58),
caracterizado porque el citado circuito primario (1) comprende además medios de inversión (10) del sentido de la circulación del citado fluido primario en los citados condensador (2) y evaporador (3), de manera que condensan y evaporan o evaporan y condensan, selectivamente, el citado fluido primario en los citados condensador (2) y evaporador (3), respectivamente.
2. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el citado circuito secundario (11) comprende al menos una cuarta rama (35) paralela a las citadas primera (34), segunda (52) y tercera (56) ramas y en la cual se inserta al menos un segundo (20) de entre los citados intercambiadores y medios de conexión (40, 42, 43, 47) de la citada cuarta rama (35) con una (52) de las citadas segunda (52) y tercera (56) ramas cuando la citada primera rama (34) está conectada con la otra (56) de las citadas segunda (52) y tercera (56) ramas, de manera que constituyen un primer (C1') y segundo (C3') sub-circuitos independientes, y medios de puesta en circulación (54, 58) del citado fluido portador de calor en los citados sub-circuitos (C1', C3').
3. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el citado circuito secundario (11) comprende al menos quinta (31) y sexta (36) ramas, en las cuales se insertan tercero (12) y cuarto (21) de entre los citados intercambiadores, respectivamente, comprendiendo el citado circuito secundario (11) además
- medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47) de la citada quinta rama (31) con una cualquiera de las citadas segunda (52) y tercera (56) ramas, de manera que insertan selectivamente el citado tercer intercambiador (12) en uno de los citados primer (C1') y segundo (C3') sub-circuitos,
- medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47, 48) de la citada sexta (36) rama con una cualquiera de las citadas segunda (52) y tercera (56) ramas, de manera que insertan selectivamente el citado cuarto intercambiador (21) en uno de los citados primer (C1') y segundo (C3') sub-circuitos,
- medios de conexión selectiva (40, 41, 43, 47, 48) de la citada quinta rama (31) con la citada sexta rama (36), de manera que constituyen un tercer sub-circuito (C2') independiente de los citados primer (C1') y segundo (C3') sub-circuitos, y
- medios de puesta en circulación del citado fluido portador de calor en los citados sub-circuitos (38, 54, 58).
4. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el citado circuito secundario (11) comprende medios de conexión (40, 41, 43, 47) destinados a conectar simultáneamente la citada quinta rama (31), la citada sexta rama (36), y al menos una de las citadas segunda (52) y tercera (56) ramas.
5. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque el citado circuito secundario (11) comprende al menos una séptima rama de derivación (37) del citado cuarto intercambiador (21) y medios de ajuste del caudal (48) del citado fluido portador de calor en la citada rama de derivación (37).
6. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el citado circuito primario (1) comprende un segundo evaporador (4) en relación de intercambio térmico con un habitáculo del citado vehículo (V).
7. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el citado segundo evaporador (4) está conectado en paralelo con el citado primer evaporador (3).
8. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque el citado segundo evaporador (4) y al menos uno (15) de entre los citados intercambiadores del citado circuito secundario (11), destinados al calentamiento y a la climatización del citado habitáculo, se insertan en un sistema que comprende un conducto (101) de llegada de aire al citado segundo evaporador (4) y al citado intercambiador (15), una primera mariposa o aleta (102) dispuesta en la trayectoria del citado aire y cuya posición determina las fracciones del citado aire dirigidas hacia dicho segundo evaporador (4) y hacia el citado intercambiador (15), y una segunda mariposa o aleta (104) dispuesta en la trayectoria del aire que ha atravesado el citado intercambiador (15) y cuya posición determina las fracciones del citado aire evacuadas hacia el exterior y hacia dicho habitáculo.
9. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque uno de los citados intercambiadores es un aerotermo (15) atravesado por aire destinado a circular en un habitáculo del citado vehículo (V), o es un radiador (20, 21) en relación de intercambio térmico con el exterior del citado vehículo (V), o está en relación de intercambio térmico con la citada pila de combustible, o está en relación de intercambio térmico con al menos una batería del citado vehículo (V), o está en relación de intercambio térmico con un grupo de componentes electrónicos del citado vehículo (V), o está en relación de intercambio térmico con un deshumidificador.
10. Dispositivo de gestión térmica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un sistema de almacenamiento de frío (65) está insertado en el citado circuito secundario (11), comprendiendo el citado circuito secundario (11) además medios (56, 60, 57) de derivar el citado fluido portador de calor del citado sistema de almacenamiento de frío (65) y medios de ajuste (60, 67) del caudal del citado fluido portador de calor en el citado sistema de almacenamiento de frío (65).
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