WO2026027273A1 - Circuit de fluide caloporteur pour système de traitement thermique - Google Patents

Circuit de fluide caloporteur pour système de traitement thermique

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WO2026027273A1
WO2026027273A1 PCT/EP2025/070560 EP2025070560W WO2026027273A1 WO 2026027273 A1 WO2026027273 A1 WO 2026027273A1 EP 2025070560 W EP2025070560 W EP 2025070560W WO 2026027273 A1 WO2026027273 A1 WO 2026027273A1
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heat exchanger
heat
transfer fluid
heat transfer
vehicle
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PCT/EP2025/070560
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English (en)
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Rody EL-CHAMMAS
Rabih MURR
Muriel Porto
Laurent Delaforge
Ali ESBER
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Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Publication date
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    • B60K2001/005—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units the electric storage means

Definitions

  • the present invention relates to the field of heat treatment systems of a motor vehicle, and more particularly concerns a heat transfer fluid circuit integrated into such heat treatment systems.
  • Motor vehicles are commonly equipped with a refrigerant circuit and at least one heat transfer fluid circuit, both used to contribute to the thermal treatment of different areas or components of the vehicle. It is particularly well known that the refrigerant and/or heat transfer fluid circuits are used to thermally treat the airflow sent into the passenger compartment of vehicles equipped with such a system. This thermal treatment is achieved primarily through the circulation of the refrigerant within a ventilation, heating, and/or air conditioning system installed in the vehicle.
  • the heat transfer fluid circuit is known to be used to cool components of the vehicle's powertrain, such as an electrical storage device, which is used to supply energy to an electric motor capable of propelling the vehicle.
  • the heat treatment system thus provides the energy needed to cool the electrical storage device or the electric motor during operation while driving.
  • thermal treatment must be effective without wasting energy unnecessarily.
  • Another objective is to be able to integrate a cooling system that is both active, i.e., via the refrigerant fluid circuit, and passive, i.e. via ambient air, of an element of the vehicle's electric powertrain.
  • the present invention falls within this context and, as such, proposes a heat transfer fluid circuit for a vehicle's thermal treatment system, intended to be traversed by a heat transfer fluid, comprising:
  • a first loop comprising a first pumping device, a first heat exchanger configured to perform a heat exchange between the heat transfer fluid and a refrigerant circulating in a refrigerant circuit, a second heat exchanger and a third heat exchanger both configured to perform a heat exchange between the heat transfer fluid and an outside airflow to a vehicle passenger compartment,
  • a second loop comprising a second pumping device, a fourth heat exchanger configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit, and a fifth heat exchanger configured to thermally treat an element of the vehicle's electric powertrain, characterized in that the first loop and the second loop are fluidically connected to each other by a second branch and a third branch, the second branch extending between a second divergence point located on the first loop between the second heat exchanger and the first convergence point, and a second convergence point located on the second loop downstream of the fifth exchanger.
  • the third branch extending between a third divergence point located on the second loop between the fifth heat exchanger and the second convergence point and a third convergence point located on the first loop between the first divergence point and the second heat exchanger.
  • the vehicle's electric powertrain component can be actively heated via the fourth and fifth heat exchangers, and passively via the second and third branches, which provide a fluid connection between the fifth heat exchanger, responsible for heating the vehicle's electric powertrain component, and the second heat exchanger. Furthermore, it is possible to maximize the efficiency of the heat treatment by implementing simultaneous active and passive heating to adapt to any situation dependent, for example, on the ambient temperature or the temperature of the vehicle's electric powertrain component.
  • the first loop ensures the dissipation of heat captured within the first heat exchanger.
  • the first pumping device circulates the heat transfer fluid within the first loop, and the heat transfer fluid is heated by the refrigerant within the first heat exchanger if the refrigerant circuit is also operating.
  • the refrigerant is then at high pressure and high temperature and transfers its heat to the heat transfer fluid.
  • This heat exchange ensures the condensation of the refrigerant in order to regulate its thermodynamic cycle as it circulates within the refrigerant circuit.
  • the second and third heat exchangers ensure the dissipation of heat absorbed by the heat transfer fluid in the first heat exchanger. This dissipation occurs through the flow of outside air passing through the second and third heat exchangers. This cools the heat transfer fluid. The fluid can then efficiently absorb heat from the refrigerant again as it circulates through the first heat exchanger.
  • the second and third heat exchangers can, for example, be located on the front of the vehicle.
  • the first branch is arranged in parallel with the second heat exchanger and bypasses it, allowing the heat transfer fluid to circulate directly from the first heat exchanger to the third heat exchanger.
  • This configuration is useful when the second heat exchanger is configured to perform passive heat treatment on the vehicle's electric powertrain component.
  • the third heat exchanger is always used to dissipate the heat from the heat transfer fluid absorbed in the first heat exchanger.
  • the heat transfer fluid heated by the refrigerant circulates within the second heat exchanger and then the third heat exchanger in order to maximize heat dissipation and improve the thermal performance of the heat treatment system.
  • the heat transfer fluid can circulate within the second loop independently of the first loop thanks to the second pumping device.
  • the fourth heat exchanger also facilitates heat exchange between the refrigerant and the heat transfer fluid, but unlike the first heat exchanger, the refrigerant is at low pressure and low temperature, thus cooling the heat transfer fluid instead of heating it.
  • the cooled heat transfer fluid can then cool the electric powertrain component of the vehicle by circulating within the fifth heat exchanger.
  • the heat transfer fluid can then continue circulating within the second loop to continuously cool the electric powertrain component. If passive heat treatment is required, fluid access to the second heat exchanger can be implemented. From the outlet of the fifth heat exchanger, the heat transfer fluid flows through the third branch, passes through the second heat exchanger, and returns to the second loop via the second branch.
  • active and/or passive cooling of the vehicle's electric powertrain component can thus be implemented to optimally adapt to different conditions.
  • the fifth heat exchanger is configured to thermally treat one element of the vehicle's electric powertrain, including a vehicle electrical storage device, a vehicle electric motor, or a vehicle control unit.
  • the electrical storage device allows for energy storage and can release heat, for example, after rapid charging.
  • the electric motor can release heat when the vehicle is traveling at high speed.
  • the control unit manages the electric powertrain and can also release heat during operation. Regardless of the specific element of the vehicle's electric powertrain, the heat it generates can lead to overheating, and this element must be cooled to prevent malfunction.
  • the heat transfer fluid circuit is therefore adapted to one of these elements.
  • the heat transfer fluid circuit comprises a third loop including a third pumping device, a sixth heat exchanger configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit, and a seventh heat exchanger configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and an interior airflow intended to be sent to the vehicle's passenger compartment.
  • the third pumping device like the pumping devices mentioned previously, allows the heat transfer fluid to be circulated.
  • the sixth heat exchanger functions identically to the fourth heat exchanger; that is, it provides cooling. of the heat transfer fluid.
  • the cooled heat transfer fluid then provides air conditioning for the vehicle's passenger compartment by circulating within the seventh heat exchanger, cooling the interior airflow as it passes through the seventh heat exchanger. This interior airflow is then sent into the vehicle's passenger compartment to provide air conditioning. Therefore, the seventh heat exchanger is advantageously integrated into a vehicle's ventilation, heating, and/or air conditioning system.
  • the heat transfer fluid circuit comprises a fourth loop including a fourth pumping device, an eighth heat exchanger configured to thermally treat an element of the vehicle's electric powertrain, and a ninth heat exchanger configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and the outside airflow.
  • the fourth loop allows for the thermal treatment of another element of the vehicle's electric powertrain. The heat from this other element is thus absorbed by the heat transfer fluid as it circulates within the eighth heat exchanger and is subsequently dissipated within the ninth heat exchanger.
  • This last heat exchanger like the second and third heat exchangers, ensures the dissipation of heat present in the heat transfer fluid via the outside airflow.
  • the ninth heat exchanger can therefore also be arranged at the front of the vehicle, for example, downstream of the second and/or third heat exchangers with respect to the direction of outside airflow.
  • the fourth loop includes a tenth heat exchanger configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and the interior airflow.
  • the tenth heat exchanger contributes to heating the vehicle's passenger compartment.
  • the interior airflow absorbs heat from the heat transfer fluid and is thus sent, heated, into the vehicle's passenger compartment.
  • the tenth heat exchanger is advantageously arranged within the vehicle's ventilation, heating, and/or air conditioning system. According to this configuration, i.e. with the tenth heat exchanger within the fourth loop, the heat transfer fluid captures the heat released by the element of the vehicle's electric powertrain by circulating within the eighth heat exchanger, then gives these same calories to the internal airflow.
  • the first loop includes a tenth heat exchanger disposed between the first heat exchanger and the second heat exchanger, the tenth heat exchanger being configured to operate a heat exchange between the heat transfer fluid and the internal airflow.
  • the first branch includes a tenth heat exchanger configured to operate a heat exchange between the heat transfer fluid and the internal airflow.
  • the tenth heat exchanger is placed downstream of the first heat exchanger, either on the first loop or on the first branch. This allows the heat transfer fluid to warm the interior airflow after being heated by the refrigerant in the first heat exchanger.
  • the first heat exchanger thus provides a heat source for heating the vehicle's interior, while also participating in the thermodynamic cycle of the refrigerant, as previously mentioned.
  • the second and third heat exchangers are superimposed relative to each other along the direction of the outside airflow, with the second heat exchanger being positioned upstream of the third heat exchanger with respect to said direction of outside airflow.
  • This configuration improves the compactness of the heat transfer fluid circuit, particularly the section located at the front of the vehicle, without compromising the thermal performance of the heat transfer fluid.
  • the outside airflow passes through the second heat exchanger and then the third heat exchanger. The outside airflow thus heats up as it passes through the second heat exchanger, but only slightly, so that it can subsequently heat the heat transfer fluid circulating in the third heat exchanger as it passes through it.
  • the first divergence point and/or the third divergence point includes a diverting element.
  • a diverting element may, for example, be a three-way valve allowing control over which loop or branch the heat transfer fluid is directed from the first divergence point and/or the third divergence point.
  • the invention also covers a vehicle heat treatment system, comprising a heat transfer fluid circuit as described above and a coolant circuit.
  • a vehicle heat treatment system comprising a heat transfer fluid circuit as described above and a coolant circuit.
  • the coolant circuit and the heat transfer fluid circuit interact to heat at least one component of the vehicle's powertrain and possibly the vehicle's passenger compartment.
  • the refrigerant Depending on the direction of flow of the refrigerant, it is compressed and put under high pressure and high temperature in a gaseous state by a compression device, then passes through the first heat exchanger to be condensed and cooled by the heat transfer fluid circulating in the first loop of the heat transfer fluid circuit.
  • the refrigerant passes through an expansion chamber which reduces its pressure and temperature.
  • the refrigerant is then evaporated within the fourth heat exchanger, simultaneously cooling the heat transfer fluid circulating within it.
  • the refrigerant circuit can also be divided into two paths, each of which includes an expansion valve, and downstream of these, one of these paths includes the fourth heat exchanger.
  • the other path includes the sixth heat exchanger.
  • the refrigerant can flow in one of these paths or be divided into two fractions, each flowing in one of the paths. Downstream of the heat exchangers that evaporate the refrigerant, the two paths rejoin, and the evaporated refrigerant is compressed again by the compression device.
  • the refrigerant circuit may include other components, such as a receiver placed at the outlet of the first heat exchanger to retain a gaseous fraction of the refrigerant that has not condensed, thus limiting any circulation of two-phase refrigerant.
  • the refrigerant circuit may also include an internal heat exchanger that transfers heat between the high-pressure and low-pressure refrigerants to regulate the thermodynamic equilibrium of the refrigerant while improving the performance of the refrigerant's thermodynamic cycle.
  • the invention also covers a vehicle thermal treatment system, comprising a heat transfer fluid circuit as described above and a refrigerant circuit including a direct heat exchanger configured to perform heat exchange between the refrigerant and an interior airflow intended to be sent to the vehicle's passenger compartment.
  • the thermal treatment system may include a refrigerant circuit providing direct air conditioning for the vehicle's passenger compartment, i.e., without passing through the heat transfer fluid.
  • the direct heat exchanger allows direct heat exchange between the refrigerant and the interior airflow.
  • the direct heat exchanger can be arranged within the vehicle's ventilation, heating and/or air conditioning system.
  • the invention also covers a method for heat-treating a vehicle, implemented by a heat-treatment system as described above, during which:
  • the component of the vehicle's electric powertrain is cooled via the fourth heat exchanger, and/or
  • the element of the vehicle's electric powertrain is cooled via the second heat exchanger.
  • heat treatment can be carried out actively, passively, or both simultaneously.
  • Passive heat treatment uses ambient air via the second heat exchanger, which dissipates the heat absorbed by the heat transfer fluid.
  • Active heat treatment uses the refrigerant circuit via the fourth heat exchanger and the refrigerant itself.
  • the electric drivetrain component of the vehicle is cooled only via the fourth heat exchanger when the outside temperature is higher than the temperature of the electric drivetrain component.
  • the electric powertrain element of the vehicle is cooled only via the second heat exchanger, or via the second heat exchanger and via the fourth heat exchanger when the outside temperature is lower than the temperature of the electric powertrain element.
  • Optimal cooling depends on the temperature of the component in the electric powertrain. The higher the temperature, the greater the cooling required.
  • the ambient temperature is also important, as it determines the heat dissipation capacity of the heat transfer fluid via the outside airflow. Based on these parameters, a circulation method is chosen to select the one that best combines efficiency and energy savings.
  • Passive cooling is also dependent on the outside temperature. Therefore, if the outside temperature is higher than the temperature of the vehicle's electric powertrain component, passive cooling in such a configuration is unnecessary, or even counterproductive. Conversely, if passive cooling alone is sufficient, it is advantageous to use it primarily to avoid wasting energy by operating an effective but potentially unnecessary active cooling system.
  • the choice between cooling solely via the second heat exchanger or via both the second and fourth heat exchangers depends on the temperature difference between the ambient temperature and the temperature of the electric drive system component. This choice also depends on the power demand on the electric drive system component.
  • FIG. 1 is a representation of a first embodiment of a heat treatment system according to the invention.
  • FIG. 1 is a representation of a first circulation mode applied to the first embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 3 is a representation of a second circulation mode applied to the first embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 4 is a representation of a third circulation mode applied to the first embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 5 is a representation of a fourth circulation mode applied to the first embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 6 is a representation of a fifth circulation mode applied to the first embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 7 is a representation of a second embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 8 is a representation of a third embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 9 is a representation of a fourth embodiment of the heat treatment system
  • FIG. 10 is a representation of a fifth embodiment of the heat treatment system.
  • upstream and downstream refer to the direction of flow of the fluid in question, i.e., the refrigerant or the heat transfer fluid.
  • a heat transfer fluid circuit 2 is shown with solid lines and a refrigerant circuit 3 with dashed lines.
  • the portions through which their respective fluid flows are shown with solid lines and the portions without fluid circulation are shown with dashed lines.
  • the solid lines indicating fluid circulation are also of different thicknesses for the refrigerant circuit 3 when it is in use. More specifically, the thickest solid lines correspond to portions where the refrigerant flows at high pressure and the thinnest solid lines correspond to portions where the refrigerant flows at low pressure.
  • Figure 1 represents a heat treatment system 1 that can be integrated into a motor vehicle and includes a first embodiment of a heat transfer fluid circuit 2 according to the invention.
  • This heat treatment system 1 is capable of providing heat treatment of the vehicle's passenger compartment, but also a heat treatment of at least one element of the vehicle's powertrain.
  • the heat treatment system i comprises a heat transfer fluid circuit 2, through which a heat transfer fluid circulates, and a refrigerant fluid circuit 3, through which a refrigerant circulates.
  • the heat treatment system 1 is configured to operate various interactions between the heat transfer fluid and the refrigerant in order to optimally heat the vehicle's passenger compartment and the electric powertrain component.
  • the heat transfer fluid can, for example, be glycol water, while the refrigerant can advantageously be an R290 type fluid, i.e., propane, which meets European environmental protection standards, unlike other types of refrigerants used for heat treatment.
  • the heat transfer fluid circuit 2 is divided into several loops and branches, fluidly linked to each other or not, in order to multiply the functionalities of the heat treatment system 1.
  • the heat transfer fluid circuit 2 includes a first loop 4.
  • This first loop 4 is equipped with a first pumping device 5, a first heat exchanger 6, a second heat exchanger 7 and a third heat exchanger 8.
  • the first pumping device 5 is used to circulate the heat transfer fluid.
  • the first heat exchanger 6 is configured to perform a heat exchange between the heat transfer fluid circulating within it and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3.
  • the refrigerant is at high pressure and high temperature.
  • heat is therefore transferred from the refrigerant to the heat transfer fluid. This simultaneously heats the heat transfer fluid and condenses the refrigerant, thus initiating a thermodynamic cycle of the refrigerant.
  • the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8 are configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid which circulates within them and an external airflow 9 which passes through them.
  • external airflow we mean an airflow that is not intended to be sent into the vehicle's passenger compartment.
  • the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8 can, for example, be arranged on the front of the vehicle.
  • the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8 are spaced apart for clarity of the figures, but advantageously, the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8 are superimposed with respect to each other so that in one direction the outside airflow 9 passes through the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8 in series.
  • the heat exchanges taking place in the second heat exchanger 7 and in the third heat exchanger 8 via the outside air flow 9 can in particular allow these calories captured by the heat transfer fluid to dissipate.
  • the heat transfer fluid circuit 2 also includes a first branch 10 extending between a first divergence point 11 located on the first loop 4 between the first heat exchanger 6 and the second heat exchanger 7 and a first convergence point 12 located on the first loop 4 between the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8.
  • the first branch 10 allows the first heat exchanger 6 to be linked directly to the third heat exchanger 8 by bypassing the second heat exchanger 7.
  • the heat transfer fluid circuit 2 also includes a second loop 13 through which the heat transfer fluid can also circulate.
  • the second loop 13 includes a second pumping device 14, a fourth heat exchanger 15, and a fifth heat exchanger 16.
  • the second pumping device 14 allows the heat transfer fluid to circulate.
  • the fourth heat exchanger 15 is configured to operate a heat exchange between the heat transfer fluid circulating in the second loop 13 and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3. Unlike the heat exchange taking place in the first heat exchanger 6, the heat exchange taking place within the fourth heat exchanger 15 is done with the refrigerant at low pressure and low temperature, thus allowing the heat transfer fluid to be cooled.
  • the second loop 13 is dedicated to the thermal regulation of a component of the vehicle's electric powertrain.
  • the fifth heat exchanger 16 provides thermal treatment to said component of the vehicle's electric powertrain using the heat transfer fluid. By circulating through the fifth heat exchanger 16, the heat transfer fluid is thus able to, for example, cool the component of the vehicle's electric powertrain.
  • the element of the vehicle's electric powertrain that is heat-treated by the second loop 13 is an electrical storage device.
  • this element of the vehicle's electric powertrain could be an electric motor or a vehicle control unit. It is an element that generates heat during operation and must be cooled to prevent malfunction.
  • the heat transfer fluid circuit 2 is characterized in that the first loop 4 and the second loop 13 are fluidly connected to each other by a second branch 17 and a third branch 18.
  • the second branch 17 begins at a second divergence point 19 located on the first loop 4 between the second heat exchanger 7 and the first convergence point 12 and extends to a second convergence point 20 located on the second loop 13 downstream of the fifth heat exchanger 16 and upstream of the fourth heat exchanger 15.
  • the heat transfer fluid can thus circulate from the first loop 4 to the second loop 13 via this second branch 17.
  • the third branch 18 begins at a third divergence point 21 located on the second loop 13 downstream of the fifth heat exchanger 16 and upstream of the second convergence point 20, and extends to a third convergence point 22 located on the first loop 4 between the first divergence point 11 and the second heat exchanger 7. It is thus understood that the second branch 17 and the third branch 18 enable, in particular, a fluid connection between the second heat exchanger 7 and the fifth heat exchanger 16. This allows the electric traction chain element to be passively heated via the second heat exchanger 7. The heat released by the electric traction chain element can then be dissipated by the outside airflow 9 circulating within the second heat exchanger 7. The electric traction chain element can also be heated both passively via the second heat exchanger 7 and actively via the fourth heat exchanger. 15. Such a configuration makes it possible to improve the heat treatment possibilities of the element of the electric powertrain of the vehicle in order to optimize said heat treatment in terms of its efficiency and energy saving.
  • the heat transfer fluid circuit 2 also includes a third loop 23 equipped with a third pumping device 24, a sixth heat exchanger 25 and a seventh heat exchanger 26.
  • the sixth heat exchanger 25 is configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit 3. The heat exchange taking place within the sixth heat exchanger 25 is with the refrigerant at low pressure and low temperature, thus cooling the heat transfer fluid circulating in the third loop 23.
  • the seventh heat exchanger 26 is configured to perform heat exchange between the heat transfer fluid and an internal airflow 27. Unlike the external airflow 9, the internal airflow 27 is intended to be sent to the vehicle's passenger compartment in order to thermally treat it. ci. As such, the seventh heat exchanger 26 can be arranged within a ventilation, heating, and/or air conditioning system that directs the interior airflow 27 through the seventh heat exchanger 26 before sending it to the vehicle's passenger compartment. Within the seventh heat exchanger 26, the heat transfer fluid absorbs heat from the interior airflow 27, which is then cooled and sent to air-condition the vehicle's passenger compartment.
  • Several points of divergence of the heat transfer fluid circuit 2 may respectively include a first bypass member 28 and a second bypass member 29.
  • Such bypass members 28, 29 may be in the form of a three-way valve allowing the heat transfer fluid circulation to be determined.
  • the first bypass member 28 thus allows the heat transfer fluid to be guided so that it continues its circulation in the first loop 4 or circulates within the first branch 10.
  • the second bypass member 29 allows the heat transfer fluid to be guided so that it continues its circulation in the second loop 13 or circulates within the third branch 18.
  • the refrigerant circuit 3 includes a main channel 30 equipped with a compression device 31 and the first heat exchanger 6. As previously stated, the refrigerant circulating in the main channel 30 passes through the first heat exchanger 6 and is condensed, transferring its heat to the heat transfer fluid also circulating within the first heat exchanger 6.
  • the main channel 30 Downstream of the first heat exchanger 6, the main channel 30 splits into a first channel 32 and a second channel 33.
  • the first channel 32 includes a first expansion member 34 and the fourth heat exchanger 15 while the second channel 33 includes a second expansion member 35 and the sixth heat exchanger 25.
  • Each of the expansion valves 34, 35 ensures an expansion of the refrigerant, which then decreases in pressure and temperature. Subsequently, the The refrigerant can pass through either the fourth heat exchanger 15 or the sixth heat exchanger 25, depending on the path through which it flows. This choice of path is obviously dependent on the objectives of the heat treatment system 1. These heat exchanges ensure the cooling of the heat transfer fluid while simultaneously evaporating the refrigerant. Subsequently, the first path 32 and the second path 33 rejoin to form the main path 30, and the refrigerant is then compressed again by the compression device 31.
  • the refrigerant circuit 3 may advantageously include a receiver 36 at the outlet of the first heat exchanger 6.
  • the receiver 36 may also be directly integrated into the first heat exchanger 6.
  • the refrigerant circuit may also include an internal heat exchanger 37 configured to perform heat exchange between the high-pressure refrigerant flowing in the main channel 30 downstream of the first heat exchanger 6 and the low-pressure refrigerant flowing in the main channel 30 upstream of the compression device 31.
  • Such an internal heat exchanger 37 improves the thermodynamic performance of the refrigerant circuit 3.
  • Figure 2 illustrates a first circulation mode within the heat treatment system according to the invention.
  • the objective of this first circulation mode is to cool the component of the vehicle's electric powertrain, namely the electrical storage device in this example and subsequent ones.
  • This device can emit heat during its operation, for example, following rapid vehicle charging.
  • Figure 2 thus illustrates active cooling, that is, cooling achieved through the refrigerant circuit, of the electrical storage device. Such active cooling is implemented under conditions of ambient temperature higher than the temperature of the vehicle's electrical storage device.
  • the heat transfer fluid is circulated in the first loop 4 and in the second loop 13 of the circuit of heat transfer fluid 2.
  • the refrigerant fluid is itself put into circulation in the main channel 30 and in the first channel 32 of the refrigerant fluid circuit 3.
  • the refrigerant is compressed at high pressure and high temperature by the compression device 31 and circulates within the first heat exchanger 6 where it is condensed by heat exchange with the heat transfer fluid circulating in the first loop 4.
  • the condensed, high-pressure refrigerant continues its circulation in the main channel 30 and flows through the internal heat exchanger 37, then into the first channel 32.
  • the refrigerant is subsequently expanded by the first expansion valve 34 and then circulates at low pressure and low temperature through the fourth heat exchanger 15 to cool the heat transfer fluid by evaporation.
  • the refrigerant is compressed again by the compression device 31.
  • the circulation of the refrigerant fluid is implemented in order to cool the heat transfer fluid in the second loop 13.
  • the second loop 13 enables the active thermal treatment of the element of the vehicle's electric powertrain, here the electrical storage device.
  • the heat transfer fluid is circulated in the second loop 13 via the second pumping device 14, and is cooled by the refrigerant as it circulates through the fourth heat exchanger 15.
  • the heat transfer fluid then circulates through the fifth heat exchanger 16 to cool the electrical storage device.
  • the second bypass valve 29 directs the heat transfer fluid back to the fourth heat exchanger 15 to be cooled again and thus continue the thermal treatment of the electrical storage device.
  • the heat transfer fluid also circulates in the first loop 4 in order to condense the refrigerant within the first heat exchanger 6 and participate in the thermodynamic cycle of the refrigerant.
  • the heat transfer fluid increases in temperature by circulating within the first heat exchanger 6 because it captures the heat from the refrigerant.
  • the heat transfer fluid continues its circulation within the first loop 4 until it circulates within the second heat exchanger
  • the electrical storage device is thus thermally treated, more specifically cooled, actively by the heat treatment system 1.
  • Figure 3 represents a second circulation mode of the thermal treatment system 1.
  • This second circulation mode is substantially identical to the first circulation mode, the objective being to thermally treat the electrical storage device in an active manner.
  • the only difference between the two circulation patterns is the flow of the heat transfer fluid within the first loop 4. Indeed, upon exiting the first heat exchanger 6, the heat transfer fluid, heated by the refrigerant, circulates to the first divergence point 11 where the first bypass 28 directs it to the first branch 10, thus bypassing the second heat exchanger 7. The heat from the heat transfer fluid is therefore dissipated by the outside airflow 9 only within the third heat exchanger 8. This circulation pattern prevents excessive pressure drop during circulation within the heat exchangers. If heat is dissipated only via the third heat exchanger...
  • Figure 4 illustrates a third circulation mode for the heat treatment system 1. This circulation mode still allows for the heat treatment of the vehicle's electric powertrain element, but this time passively, unlike the two previous operating modes. Passive heat treatment means that it is carried out using ambient air.
  • the heat transfer fluid is circulated in the second loop 13 and flows through the fourth heat exchanger 15 without exchanging heat with the refrigerant.
  • the heat transfer fluid then thermally treats the electrical storage device by circulating through the fifth heat exchanger 16 and capturing the heat released by the electrical storage device.
  • the calories captured by the heat transfer fluid are dissipated within the second heat exchanger 7, thanks to the fluid connection between the first loop 4 and the second loop 13 made possible by the heat transfer fluid circuit 2.
  • the second bypass 29 directs the heat transfer fluid into the third branch 18 so that it circulates within the second heat exchanger 7 and the calories captured are dissipated by the outside air flow 9.
  • the heat transfer fluid circulates within the second branch 17 to join the second loop 13 in order to again capture the calories emitted by the electrical storage device by circulating within the fifth heat exchanger 16.
  • This third circulation method is useful if passive cooling is sufficient to thermally treat the electrical storage device. It is thus understood that this passive cooling ensures the thermal treatment of the electrical storage device while limiting the energy expenditure required for said thermal treatment.
  • the refrigerant circuit 3 is entirely inactive, as is the heat transfer fluid circulation within the first loop 4, except for the portion between the second branch 17 and the third branch 18, which greatly limits the energy consumed for heat treatment while achieving the objective of said heat treatment simply by dissipating calories via the outside airflow 9.
  • Passive cooling alone is implemented when the outside temperature is lower than the temperature of the vehicle's electrical storage device, but under specific conditions. Indeed, for the outside airflow alone to be sufficient to cool the electrical storage device, the temperature difference between the outside temperature and the temperature of the vehicle's electrical storage device must be sufficiently high to allow for significant cooling.
  • the implementation of the third driving mode also depends on the power demand of the electrical storage device. For example, for a power demand of 20 kW, the temperature difference between the outside temperature and the temperature of the vehicle's electrical storage device must be at least 10°C. For a power demand of 10 kW, the temperature difference between the outside temperature and the temperature of the vehicle's electrical storage device must be at least 5°C.
  • FIG. 5 illustrates a fourth circulation mode of the heat treatment system 1 according to the invention.
  • This fourth circulation mode illustrates both active and passive heat treatment of the electrical storage device in order to optimize said heat treatment.
  • This fourth circulation mode combines the circulation of the heat transfer fluid in the second loop 13 and within the second heat exchanger 7 of the third circulation mode with the circulation of the refrigerant in the refrigerant circuit 3 and the circulation of the heat transfer fluid in the first loop 4 of the second circulation mode.
  • Such a configuration is implemented when the outside temperature is lower than the temperature of the vehicle's electrical storage device and passive heat treatment alone is insufficient.
  • the heat transfer fluid circulating in the second loop 13 absorbs the heat released by the storage device as it circulates within the fifth heat exchanger 16.
  • the heat absorbed by the heat transfer fluid is initially dissipated by the outside airflow 9 as the heat transfer fluid circulates within the second heat exchanger 7 via the third branch 18 and then the second branch 17 at the outlet of said second heat exchanger 7. Subsequently, the heat transfer fluid returns to the second loop 13 and is further cooled within the fourth heat exchanger 15 through heat exchange with the refrigerant.
  • the heat transfer fluid circuit 2 according to the invention thus enables the simultaneous active and passive thermal treatment of a component of the vehicle's electric powertrain.
  • the heat transfer fluid Since the refrigerant circuit 3 is used in this fourth circulation mode, the heat transfer fluid must also circulate through the first heat exchanger 6 to condense the refrigerant by absorbing its heat and dissipating it.
  • the heat transfer fluid As the second heat exchanger 7 is already used for the passive thermal treatment of the electrical storage device, the heat transfer fluid, absorbing heat from the refrigerant in the first heat exchanger 6, then circulates through the first branch 10 to dissipate heat exclusively in the third heat exchanger 8, as illustrated in Figure 3.
  • This configuration thus allows the second heat exchanger 7 to be dedicated to the passive cooling of the electrical storage device, and the third heat exchanger 8 to the dissipation of heat absorbed by the heat transfer fluid in order to condense the refrigerant via the first heat exchanger 6.
  • FIG 6 illustrates a fifth circulation mode of the thermal treatment system 1 according to the invention.
  • This fifth circulation mode is similar to the first circulation mode, except that it also implements the third loop 23, in addition to the active thermal treatment of the electrical storage device as described in Figure 2, in order to simultaneously provide air conditioning for the vehicle's passenger compartment.
  • the heat transfer fluid is also circulated in the third loop 23 by means of the third pumping device 24.
  • the refrigerant no longer circulates exclusively within the main channel 30 and the first channel 32, but also within the second channel 33, where the refrigerant, just as in the first channel 32, is expanded to cool the heat transfer fluid.
  • the refrigerant circulating in the second channel is expanded by the second expansion device 35, then evaporated within the sixth heat exchanger 25, simultaneously cooling the heat transfer fluid circulating in the third loop 23.
  • the refrigerant is divided into two fractions, each circulating respectively within the first channel 32 and the second channel 33 to respectively cool the heat transfer fluid circulating in the second loop 13 and in the third loop 23.
  • the cooled heat transfer fluid in the sixth heat exchanger 25 continues its circulation in the third loop 23 until it circulates in the seventh heat exchanger 26.
  • the interior airflow 27 passing through the seventh heat exchanger 26 the heat from the interior airflow 27 is transferred to the heat transfer fluid, thus cooling the interior airflow 27.
  • the latter is then sent into the vehicle's passenger compartment to air condition it.
  • FIGs 7 to 10 illustrate alternative embodiments of the heat transfer fluid circuit 2 and/or the heat treatment system 1 according to the invention.
  • the heat transfer fluid circuit 2 illustrated in Figures 7 to 9 is respectively a second embodiment, a third embodiment and a fourth embodiment of the heat transfer fluid circuit 2.
  • Each of these embodiments includes a fourth loop 38 provided with a fourth pumping device 39, an eighth heat exchanger 40 and a ninth heat exchanger 41.
  • the fourth loop 38 is completely isolated from the other loops of the heat transfer fluid circuit 2.
  • the fourth pumping device 39 circulates the heat transfer fluid in the fourth loop 38.
  • the eighth heat exchanger 40 provides heat treatment for a component of the vehicle's electric powertrain other than the component heat-treated by the fourth heat exchanger 15.
  • the component of the vehicle's electric powertrain heat-treated by the fourth heat exchanger 15 is the vehicle's electrical storage device.
  • the component of the vehicle's electric powertrain heat-treated by the eighth heat exchanger 40 could therefore be, for example, the vehicle's electric motor. The latter may generate heat requiring cooling, for example, when the vehicle is traveling at high speed.
  • the ninth heat exchanger 41 just like the second heat exchanger 7 and the third heat exchanger 8, ensures the dissipation of heat from the heat transfer fluid using the outside airflow 9.
  • the electric motor can thus be passively thermally treated.
  • the second embodiment, the third embodiment and the fourth embodiment are distinguished from one another by the position of a tenth heat exchanger 42.
  • the latter is configured to operate a heat exchange between the heat transfer fluid and the interior airflow 27.
  • the tenth heat exchanger 42 thus contributes to heating the vehicle's passenger compartment.
  • the tenth heat exchanger 42 is positioned within the fourth loop 38, in downstream of the eighth heat exchanger 40 relative to the direction of flow of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid circulating in the fourth loop 38 captures the heat emitted by the electric motor and subsequently transfers it to the interior airflow 27 which is then sent into the vehicle's passenger compartment.
  • the tenth heat exchanger 42 is positioned downstream of the first heat exchanger 6 with respect to the direction of flow of the heat transfer fluid.
  • the tenth heat exchanger 42 is positioned on the first loop 4, between the first divergence point 11 and the second heat exchanger 7.
  • the tenth heat exchanger 42 is positioned on the first branch 10.
  • the heat transfer fluid absorbs heat from the refrigerant to condense it.
  • the heat transfer fluid is therefore at a high temperature at the outlet of the first heat exchanger 6 and thus provides a heat source to the interior airflow 27 as it circulates within the tenth heat exchanger 42, ensuring the heating of the vehicle's passenger compartment.
  • FIG 10 illustrates a fifth embodiment of the heat treatment system 1 according to the invention.
  • This fifth embodiment differs from the previous embodiments in that it does not include a third or fourth loop.
  • the vehicle's passenger compartment is thus not air-conditioned via the seventh heat exchanger but by a direct heat exchanger 43 located on the second line 33 of the refrigerant circuit 3, downstream of the second expansion valve 35.
  • the refrigerant directly cools the airflow. interior 27 without the intermediary of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid circuit 2 is nevertheless still operational as described previously to handle the element of the vehicle's electric powertrain.
  • the circulation modes described in Figures 2 to 5 are also applicable to the fifth embodiment.
  • the invention achieves its intended purpose and provides a heat transfer fluid circuit suitable for implementing active and/or passive heat treatment of a component in the electric powertrain of a vehicle. Variations not described here could be implemented without departing from the scope of the invention, provided that, in accordance with the invention, they include a heat transfer fluid circuit conforming to the invention.

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Abstract

La présente invention concerne un circuit de fluide caloporteur (2) pour un système de traitement thermique (1), comprenant : - une première boucle (4) comportant un premier dispositif de pompage (5), un premier échangeur thermique (6), un deuxième échangeur thermique (7) et un troisième échangeur thermique (8), - une première branche (10) s'étendant entre un premier point de divergence (11) disposé sur la première boucle (4) et un premier point de convergence (12) disposé sur la première boucle (4), - une deuxième boucle (13) comportant un deuxième dispositif de pompage (14), un quatrième échangeur thermique (15) et un cinquième échangeur thermique (16), caractérisé en ce que la première boucle (4) et la deuxième boucle (13) sont fluidiquement reliées entre elles par une deuxième branche (17) et par une troisième branche (18).

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Circuit de fluide caloporteur pour système de traitement thermique
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de traitement thermique d’un véhicule automobile, et concerne plus particulièrement un circuit de fluide caloporteur intégré dans de tels systèmes de traitement thermique.
Les véhicules automobiles sont couramment équipés d’un circuit de fluide réfrigérant et d’au moins un circuit de fluide caloporteur, tous deux utilisés pour participer à un traitement thermique de différentes zones ou différents composants du véhicule. Il est notamment connu d’utiliser le circuit de fluide réfrigérant et/ou le circuit de fluide caloporteur pour traiter thermiquement un flux d’air envoyé dans l’habitacle du véhicule équipé d’un tel circuit. Ce traitement thermique se fait notamment par le biais d’une circulation du fluide réfrigérant au sein d’une installation de ventilation, de chauffage et/ ou de climatisation agencée dans le véhicule.
Dans une autre application de ce circuit, il est connu d’utiliser le circuit de fluide caloporteur pour refroidir des composants de la chaîne de traction du véhicule, tel que par exemple un dispositif de stockage électrique, ce dernier étant utilisé pour fournir une énergie à un moteur électrique capable de mettre en mouvement le véhicule. Le système de traitement thermique fournit ainsi l’énergie capable de refroidir le dispositif de stockage électrique ou le moteur électrique pendant son utilisation en phases de roulage.
Au sein de ce type de circuit, une amélioration des performances thermiques est constamment en développement, notamment dans le but de traiter thermiquement les éléments de la chaîne de traction électrique du véhicule en alliant efficacité et économie d’énergie. Autrement dit, en fonction de la température extérieure et/ou de la température de l’élément de la chaîne de traction électrique, le traitement thermique opéré doit être efficace sans pour autant gaspiller de l’énergie inutilement. Un autre objectif est de pouvoir intégrer une possibilité de refroidissement à la fois actif, c’est-à-dire via le circuit de fluide réfrigérant, et passif, c’est-à-dire via l’air ambiant, d’un élément de la chaine de traction électrique du véhicule.
La présente invention s’inscrit dans ce contexte et propose à ce titre un circuit de fluide caloporteur pour un système de traitement thermique d’un véhicule et destiné à être parcouru par un fluide caloporteur, comprenant :
- une première boucle comportant un premier dispositif de pompage, un premier échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un fluide réfrigérant circulant dans un circuit de fluide réfrigérant, un deuxième échangeur thermique et un troisième échangeur thermique tous deux configurés pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un flux d’air extérieur à un habitacle du véhicule,
- une première branche s’étendant entre un premier point de divergence disposé sur la première boucle entre le premier échangeur thermique et le deuxième échangeur thermique et un premier point de convergence disposé sur la première boucle entre le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique
- une deuxième boucle comportant un deuxième dispositif de pompage, un quatrième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant et un cinquième échangeur thermique configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule, caractérisé en ce que la première boucle et la deuxième boucle sont fluidiquement reliées entre elles par une deuxième branche et par une troisième branche, la deuxième branche s’étendant entre un deuxième point de divergence disposé sur la première boucle entre le deuxième échangeur thermique et le premier point de convergence et un deuxième point de convergence disposé sur la deuxième boucle en aval du cinquième échangeur thermique et en amont du quatrième échangeur thermique, la troisième branche s’étendant entre un troisième point de divergence disposé sur la deuxième boucle entre le cinquième échangeur thermique et le deuxième point de convergence et un troisième point de convergence disposé sur la première boucle entre le premier point de divergence et le deuxième échangeur thermique.
Grâce au circuit de fluide caloporteur selon l’invention, l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule peut être traité thermiquement de manière active via les quatrième et cinquième échangeurs thermiques, mais également de manière passive par le biais de la deuxième et de la troisième branche qui assurent une liaison fluidique entre le cinquième échangeur thermique chargé de traiter thermiquement l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule et le deuxième échangeur thermique. De plus, il est possible de maximiser l’efficacité du traitement thermique en mettant en œuvre un traitement thermique actif et passif simultanément afin de s’adapter à toute situation dépendante par exemple de la température extérieure ou de la température de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule.
La première boucle assure notamment une dissipation de calories captées au sein du premier échangeur thermique. Le premier dispositif de pompage permet la mise en circulation du fluide caloporteur au sein de la première boucle et le fluide caloporteur est chauffé par le fluide réfrigérant au sein du premier échangeur thermique si le circuit de fluide réfrigérant est également en fonctionnement. Le fluide réfrigérant est alors à haute pression et haute température et cède ses calories au fluide caloporteur. Cet échange de chaleur garantit la condensation du fluide réfrigérant afin de réguler son cycle thermodynamique lors de sa circulation au sein du circuit de fluide réfrigérant.
Comme cela a été mentionné précédemment, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique garantissent une dissipation des calories captées par le fluide caloporteur au sein du premier échangeur thermique. Cette dissipation se fait grâce au flux d’air extérieur traversant le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique, refroidissant ainsi le fluide caloporteur. Ce dernier peut alors de nouveau efficacement capter les calories du fluide réfrigérant en circulant de nouveau dans le premier échangeur thermique. Afin d’être positionnés sur une trajectoire du flux d’air extérieur, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique peuvent par exemple être disposés au niveau d’une face avant du véhicule.
La première branche est agencée en parallèle du deuxième échangeur thermique et permet de contourner ce dernier afin de faire circuler le fluide caloporteur directement du premier échangeur thermique au troisième échangeur thermique. Une telle configuration est utile lorsque le deuxième échangeur thermique est configuré pour opérer un traitement thermique passif de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule. Le troisième échangeur thermique est quant à lui toujours utilisé pour dissiper les calories du fluide caloporteur captées au sein du premier échangeur thermique.
Avantageusement, lorsque le deuxième échangeur thermique est disponible, le fluide caloporteur chauffé par le fluide réfrigérant circule au sein du deuxième échangeur thermique puis du troisième échangeur thermique afin de maximiser la dissipation de calories et d’améliorer les performances thermiques du système de traitement thermique.
Le fluide caloporteur peut circuler au sein de la deuxième boucle indépendamment de la première boucle grâce au deuxième dispositif de pompage. Tout comme le premier échangeur thermique, le quatrième échangeur thermique assure également un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et le fluide caloporteur, mais contrairement au premier échangeur thermique, le fluide réfrigérant est à basse pression et basse température et refroidit ainsi le fluide caloporteur au lieu de le chauffer. Le fluide caloporteur refroidi peut ainsi refroidir l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule en circulant au sein du cinquième échangeur thermique. Le fluide caloporteur peut alors poursuivre sa circulation au sein de la deuxième boucle afin de refroidir en continu l’élément de la chaine de traction électrique. Si un traitement thermique passif est nécessaire, l’accès fluidique au deuxième échangeur thermique peut être mis en œuvre et, en sortie du cinquième échangeur thermique, le fluide caloporteur circule dans la troisième branche, traverse le deuxième échangeur thermique et retourne dans la deuxième boucle via la deuxième branche. En fonction de la configuration souhaitée, un refroidissement actif et/ou passif de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule peut être ainsi mis en œuvre et ce afin de s’adapter à différentes conditions de manière optimale.
Selon une caractéristique de l’invention, le cinquième échangeur thermique est configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule parmi un dispositif de stockage électrique du véhicule, un moteur électrique du véhicule ou une unité de commande du véhicule. Le dispositif de stockage électrique permet un stockage d’énergie et peut dégager de la chaleur par exemple après un rechargement rapide. Le moteur électrique peut quant à lui dégager de la chaleur lorsque le véhicule roule à vitesse élevé. L’unité de commande assure la gestion de la chaine de traction électrique et peut également dégager de la chaleur lors de son fonctionnement. Quel que soit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule, la chaleur qui s’en dégage peut entraîner une surchauffe et ledit élément doit être refroidi pour ne pas être dysfonctionnel. Le circuit de fluide caloporteur est donc adapté à l’un de ses éléments.
Selon une caractéristique de l’invention, le circuit de fluide caloporteur comprend une troisième boucle comportant un troisième dispositif de pompage, un sixième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant et un septième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un flux d’air intérieur destiné à être envoyé vers l’habitacle du véhicule. Le troisième dispositif de pompage, tout comme les dispositifs de pompage évoqués précédemment, permet une mise en circulation du fluide caloporteur.
Le sixième échangeur thermique a un fonctionnement identique au quatrième échangeur thermique, c’est-à-dire qu’il assure le refroidissement du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur refroidi permet cette fois d’assurer la climatisation de l’habitacle du véhicule en circulant au sein du septième échangeur thermique, refroidissant le flux d’air intérieur traversant le septième échangeur thermique. Le flux d’air intérieur est par la suite envoyé au sein de l’habitacle du véhicule pour climatiser ce dernier. A ce titre, le septième échangeur thermique est avantageusement agencé au sein d’une installation de ventilation, de chauffage et/ ou de climatisation du véhicule.
Selon une caractéristique de l’invention, le circuit de fluide caloporteur comprend une quatrième boucle comportant un quatrième dispositif de pompage, un huitième échangeur thermique configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule et un neuvième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air extérieur. La quatrième boucle permet le traitement thermique d’un autre élément de la chaine de traction électrique du véhicule. Les calories de cet autre élément sont ainsi captées par le fluide caloporteur lorsque celui-ci circule au sein du huitième échangeur thermique, et sont par la suite dissipées au sein du neuvième échangeur thermique. Ce dernier, tout comme le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique, garantit une dissipation des calories présentes dans le fluide caloporteur via le flux d’air extérieur. Le neuvième échangeur thermique peut ainsi être agencé également en face avant du véhicule, par exemple en aval du deuxième échangeur thermique et/ou du troisième échangeur thermique par rapport à un sens de circulation du flux d’air extérieur.
Selon une caractéristique de l’invention, la quatrième boucle comprend un dixième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur. Le dixième échangeur thermique participe au chauffage de l’habitacle du véhicule. Le flux d’air intérieur capte les calories du fluide caloporteur et est ainsi envoyé chauffé dans l’habitacle du véhicule. Tout comme le septième échangeur thermique, le dixième échangeur thermique est avantageusement agencé au sein de l’installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation du véhicule. Selon cette configuration, c’est-à-dire avec le dixième échangeur thermique au sein de la quatrième boucle, le fluide caloporteur capte la chaleur dégagée par l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule en circulant au sein du huitième échangeur thermique, puis cède ces mêmes calories au flux d’air intérieur.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la première boucle comprend un dixième échangeur thermique disposé entre le premier échangeur thermique et le deuxième échangeur thermique, le dixième échangeur thermique étant configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la première branche comprend un dixième échangeur thermique configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur.
Il s’agit d’alternatives au positionnement du dixième échangeur thermique au sein de la quatrième boucle. Selon ces deux alternatives, le dixième échangeur thermique est placé en aval du premier échangeur thermique, soit sur la première boucle soit sur la première branche. Ainsi, le fluide caloporteur peut réchauffer le flux d’air intérieur après avoir été lui-même chauffé par le fluide réfrigérant au sein du premier échangeur thermique. Le premier échangeur thermique offre ainsi une source de chaleur pour le chauffage de l’habitacle du véhicule, tout en participant au cycle thermodynamique du fluide réfrigérant tel que cela a été mentionné précédemment.
Selon une caractéristique de l’invention, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique sont superposés l’un par rapport à l’autre selon un sens de circulation du flux d’air extérieur, le deuxième échangeur thermique étant disposé en amont du troisième échangeur thermique par rapport audit sens de circulation du flux d’air extérieur. Une telle configuration permet d’améliorer la compacité du circuit de fluide caloporteur, notamment la section agencée au niveau de la face avant du véhicule, et ce sans perturber les capacités thermiques du fluide caloporteur. Le flux d’air extérieur traverse dans l’ordre le deuxième échangeur thermique puis le troisième échangeur thermique. Le flux d’air extérieur monte ainsi en température en traversant le deuxième échangeur thermique mais de manière suffisamment faible pour par la suite traiter thermiquement efficacement le fluide caloporteur circulant dans le troisième échangeur thermique en traversant ce dernier.
Selon une caractéristique de l’invention, le premier point de divergence et/ou le troisième point de divergence comprend un organe de déviation. Un tel organe de dérivation peut par exemple être une vanne trois voies permettant de contrôler vers quelle boucle ou branche le fluide caloporteur est dirigé à partir du premier point de divergence et/ ou du troisième point de divergence.
L’invention couvre également un système de traitement thermique d’un véhicule, comprenant un circuit de fluide caloporteur tel que décrit précédemment et un circuit de fluide réfrigérant. Tel que cela a été précédemment évoqué, le circuit de fluide réfrigérant et le circuit de fluide caloporteur interagissent entre eux pour traiter thermiquement au moins un élément de la chaine de traction du véhicule et éventuellement l’habitacle du véhicule.
Selon le sens de circulation du fluide réfrigérant, ce dernier est comprimé et mis sous haute pression et haute température à l’état gazeux par un dispositif de compression, puis traverse le premier échangeur thermique pour être condensé et refroidi par le fluide caloporteur circulant dans la première boucle du circuit de fluide caloporteur.
Suite à cela, le fluide réfrigérant traverse un organe de détente servant à détendre le fluide réfrigérant et l’abaisser à basse pression et à basse température. Le fluide réfrigérant est ensuite évaporé au sein du quatrième échangeur thermique tout en refroidissant le fluide caloporteur qui y circule également.
En fonction de la configuration du système de traitement thermique, le circuit de fluide réfrigérant peut également se diviser en deux voies et chacune de ces voies comprend un organe de détente et, en aval de ces derniers, l’une de ces voies comprend le quatrième échangeur thermique tandis que l’autre voie comprend le sixième échangeur thermique. En fonction du mode de circulation du système de traitement thermique, le fluide réfrigérant peut circuler dans l’une de ces voies ou bien se diviser en deux fractions, chacune circulant dans l’une des voies. En aval des échangeurs thermiques assurant l’évaporation du fluide réfrigérant, les deux voies se rejoignent et le fluide réfrigérant évaporé est de nouveau comprimé par le dispositif de compression.
Le circuit de fluide réfrigérant peut éventuellement comprendre d’autres éléments, par exemple une bouteille agencée en sortie du premier échangeur thermique afin de retenir une fraction gazeuse du fluide réfrigérant ne s’étant pas condensée afin de limiter toute circulation de fluide réfrigérant diphasique. Le circuit de fluide réfrigérant peut également comprendre un échangeur de chaleur interne opérant un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant haute pression et le fluide réfrigérant basse pression afin de réguler l’équilibre thermodynamique du fluide réfrigérant tout en améliorant les performances du cycle thermodynamique dudit fluide réfrigérant.
L’invention couvre également un système de traitement thermique d’un véhicule, comprenant un circuit de fluide caloporteur tel que décrit précédemment et un circuit de fluide réfrigérant comprenant un échangeur de chaleur direct configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et un flux d’air intérieur destiné à être envoyé vers l’habitacle du véhicule. Alternativement, le système de traitement thermique peut inclure un circuit de fluide réfrigérant assurant la climatisation de l’habitacle du véhicule de manière directe, c’est-à-dire sans passer par l’intermédiaire du fluide caloporteur. En lieu et place du sixième échangeur thermique et du septième échangeur thermique assurant la climatisation de l’habitacle du véhicule, l’échangeur de chaleur direct permet un échange de chaleur direct entre le fluide réfrigérant et le flux d’air intérieur. Comme le fluide réfrigérant a été préalablement détendu via l’organe de détente, le flux d’air intérieur est refroidi en traversant l’échangeur de chaleur direct et peut alors être envoyé dans l’habitacle du véhicule. Tout comme pour le septième échangeur thermique et le dixième échangeur thermique présents dans certains modes de réalisation précédemment décrits, l’échangeur de chaleur direct peut être agencé au sein de l’installation de ventilation, de chauffage et/ ou de climatisation du véhicule.
L’invention couvre également un procédé de traitement thermique d’un véhicule, mis en œuvre par un système de traitement thermique tel que décrit précédemment, au cours duquel :
- on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule via le quatrième échangeur thermique, et/ou
- on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule via le deuxième échangeur thermique.
En fonction du besoin, différents modes de fonctionnement du système de traitement thermique sont mis en œuvre. La quantité de ces modes de fonctionnement permet de répondre de manière optimale à différents besoins dépendants par exemple de température.
Comme cela a été mentionné précédemment, le traitement thermique peut se faire activement, passivement ou les deux simultanément. Le traitement thermique passif se fait grâce à l’air ambiant, via le deuxième échangeur thermique permettant de dissiper les calories captées par le fluide caloporteur. Le traitement thermique actif se fait quant à lui grâce au circuit de fluide réfrigérant, via le quatrième échangeur thermique et le fluide réfrigérant.
Selon une caractéristique du procédé :
- on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule uniquement via le quatrième échangeur thermique quand la température extérieure est supérieure à la température de l’élément de la chaine de traction électrique,
- on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule uniquement via le deuxième échangeur thermique, ou via le deuxième échangeur thermique et via le quatrième échangeur thermique quand la température extérieure est inférieure à la température de l’élément de la chaine de traction électrique. Le refroidissement optimal est en effet dépendant de la température de l’élément de la chaine de traction électrique. Plus celui-ci est à une température élevée, plus le refroidissement opéré doit être important. La température extérieure est importante aussi car elle permet de déterminer la capacité de dissipation des calories du fluide caloporteur via le flux d’air extérieur. En fonction de ces paramètres, un choix du mode de circulation est établi afin de sélectionner celui alliant efficacité et économie énergie de manière optimale.
Le refroidissement passif est par ailleurs dépendant de la température extérieure. Ainsi, si cette dernière est supérieure à la température de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule, un refroidissement passif dans une telle configuration est inutile, voire contre-productif. A l’inverse, si un refroidissement passif est suffisant à lui seul, il est avantageux de l’utiliser en priorité afin d’éviter un gaspillage d’énergie en opérant un refroidissement actif efficace mais pouvant être évité.
Le choix du refroidissement uniquement via le deuxième échangeur thermique ou via le deuxième échangeur thermique et via le quatrième échangeur thermique est dépendant d’un écart de température entre la température ambiante et la température de l’élément de la chaine de traction électrique. Ce choix est également dépendant de la puissance demandée sur l’élément de la chaine de traction électrique.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[fig i] est une représentation d’un premier mode de réalisation d’un système de traitement thermique selon l’invention,
[fig 2] est une représentation d’un premier mode de circulation appliqué au premier mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 3] est une représentation d’un deuxième mode de circulation appliqué au premier mode de réalisation du système de traitement thermique, [fig 4] est une représentation d’un troisième mode de circulation appliqué au premier mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 5] est une représentation d’un quatrième mode de circulation appliqué au premier mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 6] est une représentation d’un cinquième mode de circulation appliqué au premier mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 7] est une représentation d’un deuxième mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 8] est une représentation d’un troisième mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 9] est une représentation d’un quatrième mode de réalisation du système de traitement thermique,
[fig 10] est une représentation d’un cinquième mode de réalisation du système de traitement thermique.
Les termes « amont » et « aval » employés dans la description qui suit se réfèrent au sens de circulation du fluide considéré, c’est-à-dire le fluide réfrigérant ou le fluide caloporteur.
Sur les figures 1 et 7 à 10, un circuit de fluide caloporteur 2 est illustré en traits pleins et un circuit de fluide réfrigérant 3 est illustré en pointillés. Aux figures 2 à 6, pour chacun des circuits, les portions parcourues par leur fluide respectif sont en traits pleins et les portions sans circulation de fluide sont en traits pointillés. Les traits pleins indiquant la circulation de fluide sont également d’épaisseur différente concernant le circuit de fluide réfrigérant 3 lorsque ce dernier est mis à contribution. Plus précisément, les traits pleins les plus épais correspondent à des portions où le fluide réfrigérant circule à haute pression et les traits pleins les plus fins correspondent à des portions où le fluide réfrigérant circule à basse pression.
La figure 1 représente un système de traitement thermique 1 pouvant être intégré au sein d’un véhicule automobile et comprenant un premier mode de réalisation d’un circuit de fluide caloporteur 2 selon l’invention. Ce système de traitement thermique 1 est apte à assurer un traitement thermique de l’habitacle du véhicule, mais également un traitement thermique d’au moins un élément d’une chaîne de traction du véhicule.
Pour ce faire, le système de traitement thermique i comprend le circuit de fluide caloporteur 2 au sein duquel circule un fluide caloporteur, et un circuit de fluide réfrigérant 3 au sein duquel circule un fluide réfrigérant. Le système de traitement thermique 1 est configuré pour opérer différentes interactions entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant afin de traiter thermiquement l’habitacle du véhicule et l’élément de la chaîne de traction électrique du véhicule de manière optimale. Le fluide caloporteur peut par exemple être de l’eau glycolée, tandis que le fluide réfrigérant peut être avantageusement un fluide de type R290, c’est-à-dire du propane, répondant à des normes européennes de préservation de l’environnement contrairement à d’autres types de fluide réfrigérant utilisés pour le traitement thermique.
Le circuit de fluide caloporteur 2 est divisé en plusieurs boucles et branches fluidiquement liées entre elles ou non afin de multiplier les fonctionnalités du système de traitement thermique 1.
Le circuit de fluide caloporteur 2 comprend à ce titre une première boucle 4. Cette première boucle 4 est pourvue d’un premier dispositif de pompage 5, d’un premier échangeur thermique 6, d’un deuxième échangeur thermique 7 et d’un troisième échangeur thermique 8.
Le premier dispositif de pompage 5 a pour fonction de mettre en circulation le fluide caloporteur. Le premier échangeur thermique 6 est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur qui y circule et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 3.
A ce stade du circuit de fluide réfrigérant 3, le fluide réfrigérant est à haute pression et haute température. Au sein du premier échangeur thermique 6, les calories sont donc transférées du fluide réfrigérant au fluide caloporteur. Cela permet à la fois de chauffer le fluide caloporteur et de condenser le fluide réfrigérant afin de mettre en œuvre un cycle thermodynamique du fluide réfrigérant.
Le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8 sont configurés pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur qui y circule et un flux d’air extérieur 9 qui les traverse. Par flux d’air extérieur, il faut comprendre un flux d’air qui n’est pas destiné à être envoyé dans l’habitacle du véhicule. Afin d’être positionnés au niveau d’une trajectoire du flux d’air extérieur 9, le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8 peuvent par exemple être agencé au niveau d’une face avant du véhicule.
Sur la figure 1 et les figures suivantes, le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8 sont à distance l’un de l’autre pour des raisons de clarté des figures, mais de manière avantageuse, le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8 sont superposés l’un par rapport à l’autre de sorte selon une direction du flux d’air extérieur 9 traverse le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8 en série.
Après que le fluide caloporteur a capté les calories du fluide réfrigérant au sein du premier échangeur thermique 6, les échanges de chaleur se déroulant dans le deuxième échangeur thermique 7 et dans le troisième échangeur thermique 8 via le flux d’air extérieur 9 peuvent notamment permettre de dissiper ces calories captées par le fluide caloporteur.
Le circuit de fluide caloporteur 2 comprend par ailleurs une première branche 10 s’étendant entre un premier point de divergence 11 disposé sur la première boucle 4 entre le premier échangeur thermique 6 et le deuxième échangeur thermique 7 et un premier point de convergence 12 disposé sur la première boucle 4 entre le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8. La première branche 10 permet de lier directement le premier échangeur thermique 6 au troisième échangeur thermique 8 en contournant le deuxième échangeur thermique 7.
Le circuit de fluide caloporteur 2 comprend également une deuxième boucle 13 au sein de laquelle peut également circuler le fluide caloporteur. La deuxième boucle 13 comprend un deuxième dispositif de pompage 14, un quatrième échangeur thermique 15 et un cinquième échangeur thermique 16. Tout comme le premier dispositif de pompage 5, le deuxième dispositif de pompage 14 permet de mettre en circulation le fluide caloporteur. Le quatrième échangeur thermique 15 est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans la deuxième boucle 13 et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 3. Contrairement à l’échange de chaleur se déroulant dans le premier échangeur thermique 6, l’échange de chaleur se déroulant au sein du quatrième échangeur thermique 15 se fait avec le fluide réfrigérant à basse pression et basse température, permettant ainsi de refroidir le fluide caloporteur.
La deuxième boucle 13 est dédiée à la régulation thermique d’un élément d’une chaine de traction électrique du véhicule. Pour cela, le cinquième échangeur thermique 16 permet un traitement thermique dudit élément de la chaine de traction électrique du véhicule par le fluide caloporteur. En circulant dans le cinquième échangeur thermique 16, le fluide caloporteur est ainsi apte à par exemple refroidir l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule.
Selon un exemple valable pour l’ensemble des figures, l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule traité thermiquement par la deuxième boucle 13 est un dispositif de stockage électrique. Alternativement, ledit élément de la chaine de traction électrique du véhicule peut être un moteur électrique ou une unité de commande du véhicule. Il s’agit d’un élément susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement et doit être refroidi pour ne pas être dysfonctionnel.
Le circuit de fluide caloporteur 2 est caractérisé en ce que la première boucle 4 et la deuxième boucle 13 sont fluidiquement liées entre elles par une deuxième branche 17 et par une troisième branche 18. La deuxième branche 17 débute au niveau d’un deuxième point de divergence 19 disposé sur la première boucle 4 entre le deuxième échangeur thermique 7 et le premier point de convergence 12 et s’étend jusqu’à un deuxième point de convergence 20 disposé sur la deuxième boucle 13 en aval du cinquième échangeur thermique 16 et en amont du quatrième échangeur thermique 15. Le fluide caloporteur peut ainsi circuler de la première boucle 4 vers la deuxième boucle 13 via cette deuxième branche 17. La troisième branche 18 débute au niveau d’un troisième point de divergence 21 disposé sur la deuxième boucle 13 en aval du cinquième échangeur thermique 16 et en amont du deuxième point de convergence 20 et s’étend jusqu’à un troisième point de convergence 22 disposé sur la première boucle 4 entre le premier point de divergence 11 et le deuxième échangeur thermique 7. On comprend ainsi que la deuxième branche 17 et la troisième branche 18 permettent notamment une liaison fluidique entre le deuxième échangeur thermique 7 et le cinquième échangeur thermique 16. Cela permet ainsi de traitement thermiquement l’élément de la chaine de traction électrique de manière passive via le deuxième échangeur thermique 7. Les calories dégagées par l’élément de la chaine de traction électrique peuvent alors être dissipée par le flux d’air extérieur 9 en circulant au sein du deuxième échangeur thermique 7. L’élément de la chaine de traction électrique peut également être traitée thermiquement à la fois passivement via le deuxième échangeur thermique 7 et activement via le quatrième échangeur thermique 15. Une telle configuration permet d’améliorer les possibilités de traitement thermique de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule afin d’optimiser ledit traitement thermique au niveau de son efficacité et de son économie d’énergie.
Tel que cela est illustré sur la figure 1, le circuit de fluide caloporteur 2 comprend également une troisième boucle 23 pourvue d’un troisième dispositif de pompage 24, d’un sixième échangeur thermique 25 et d’un septième échangeur thermique 26. Tout comme le quatrième échangeur thermique 15, le sixième échangeur thermique 25 est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant 3. L’échange de chaleur se déroulant au sein du sixième échangeur thermique 25 se fait avec le fluide réfrigérant à basse pression et basse température, permettant ainsi de refroidir le fluide caloporteur circulant dans la troisième boucle 23.
Le septième échangeur thermique 26 est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un flux d’air intérieur 27. Contrairement au flux d’air extérieur 9, le flux d’air intérieur 27 est destiné à être envoyé vers l’habitacle du véhicule afin de traiter thermiquement celui- ci. A ce titre, le septième échangeur thermique 26 peut être agencé au sein d’une installation de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation qui permet de diriger le flux d’air intérieur 27 à travers notamment le septième échangeur thermique 26 avant de l’envoyer vers l’habitacle du véhicule. Au sein du septième échangeur thermique 26, le fluide caloporteur capte les calories du flux d’air intérieur 27 et ce dernier est par la suite envoyé refroidi afin de climatiser l’habitacle du véhicule.
Plusieurs points de divergences du circuit de fluide caloporteur 2, par exemple le premier point de divergence 11 et le troisième point de divergence 21, peuvent comprendre respectivement un premier organe de dérivation 28 et un deuxième organe de dérivation 29. De tels organes de dérivation 28, 29 peuvent se présenter sous la forme d’une vanne trois voies permettant de déterminer une circulation du fluide caloporteur.
Le premier organe de dérivation 28 permet ainsi de guider le fluide caloporteur de sorte à ce que ce dernier poursuive sa circulation dans la première boucle 4 ou bien circule au sein de la première branche 10. Le deuxième organe de dérivation 29 permet quant à lui de guider le fluide caloporteur de sorte à ce que ce dernier poursuive sa circulation dans la deuxième boucle 13 ou bien circule au sein de la troisième branche 18.
Le circuit de fluide réfrigérant 3 comprend une voie principale 30 pourvue d’un dispositif de compression 31 et du premier échangeur thermique 6. Comme cela a été dit précédemment, le fluide réfrigérant circulant dans la voie principale 30 traverse le premier échangeur thermique 6 et est condensé en cédant ses calories au fluide caloporteur circulant également au sein du premier échangeur thermique 6.
En aval du premier échangeur thermique 6, la voie principale 30 se divise en une première voie 32 et en une deuxième voie 33. La première voie 32 comprend un premier organe de détente 34 et le quatrième échangeur thermique 15 tandis que la deuxième voie 33 comprend un deuxième organe de détente 35 et le sixième échangeur thermique 25.
Chacun des organes de détente 34, 35 assure une détente du fluide réfrigérant qui baisse alors en pression et en température. Par la suite, le fluide réfrigérant peut traverser le quatrième échangeur thermique 15 ou le sixième échangeur thermique 25 en fonction de la voie dans laquelle le fluide réfrigérant circule. Ce choix de voie est évidemment dépendant des objectifs que doit remplir le système de traitement thermique 1. Ces échanges de chaleur assurent le refroidissement du fluide caloporteur tout en évaporant le fluide réfrigérant. Par la suite, la première voie 32 et la deuxième voie 33 se rejoignent pour reformer la voie principale 30 et le fluide réfrigérant est alors de nouveau comprimé par le dispositif de compression 31.
De manière optionnelle, le circuit de fluide réfrigérant 3 peut avantageusement comprendre une bouteille 36 en sortie du premier échangeur thermique 6. D’une manière non illustrée, la bouteille 36 peut également être directement intégrée au premier échangeur thermique 6. Le circuit de fluide réfrigérant peut également comprendre un échangeur de chaleur interne 37 configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant haute pression circulant dans la voie principale 30 en aval du premier échangeur thermique 6 et le fluide réfrigérant basse pression circulant dans la voie principale 30 en amont du dispositif de compression 31. Un tel échangeur de chaleur interne 37 permet d’améliorer les performances thermodynamiques du circuit de fluide réfrigérant 3.
La figure 2 représente un premier mode de circulation au sein du système de traitement thermique selon l’invention. L’objectif de ce premier mode de circulation est d’opérer un refroidissement de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule, le dispositif de stockage électrique dans cet exemple et les suivants. Ce dernier peut émettre de la chaleur lors de son fonctionnement par exemple suite à un rechargement rapide du véhicule. La figure 2 illustre ainsi un refroidissement actif, c’est-à-dire opéré grâce au circuit de fluide réfrigérant, du dispositif de stockage électrique. Un tel refroidissement actif est mis en œuvre dans des conditions de température extérieure supérieure à la température du dispositif de stockage électrique du véhicule.
Selon ce premier mode de circulation, le fluide caloporteur est mis en circulation dans la première boucle 4 et dans la deuxième boucle 13 du circuit de fluide caloporteur 2. Le fluide réfrigérant est quant à lui mis en circulation dans la voie principale 30 et dans la première voie 32 du circuit de fluide réfrigérant 3.
Le fluide réfrigérant est comprimé à haute pression et haute température par le dispositif de compression 31 et circule au sein du premier échangeur thermique 6 où il y est condensé par échange de chaleur avec le fluide caloporteur circulant dans la première boucle 4.
Le fluide réfrigérant condensé et à haute pression poursuit sa circulation dans la voie principale 30 et circule au sein de l’échangeur de chaleur interne 37, puis dans la première voie 32. Le fluide réfrigérant est par la suite détendu par le premier organe de détente 34 puis circule à basse pression et basse température au sein du quatrième échangeur thermique 15 pour refroidir le fluide caloporteur en s’évaporant. Après une nouvelle circulation dans l’échangeur de chaleur 37 pour améliorer les performances thermiques du circuit de fluide réfrigérant 3, le fluide réfrigérant est de nouveau comprimé par le dispositif de compression 31.
La circulation du fluide réfrigérant est mise en œuvre dans le but de refroidir le fluide caloporteur dans la deuxième boucle 13. Comme cela a été mentionné précédemment, la deuxième boucle 13 permet le traitement thermique actif de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule, ici le dispositif de stockage électrique.
Pour cela, le fluide caloporteur est mis en circulation dans la deuxième boucle 13 via le deuxième dispositif de pompage 14, est refroidi par le fluide réfrigérant en circulant dans le quatrième échangeur thermique 15. Le fluide caloporteur circule par la suite au sein du cinquième échangeur thermique 16 afin de refroidir le dispositif de stockage électrique. En sortie du cinquième échangeur thermique 16, le deuxième organe de dérivation 29 dirige de nouveau le fluide caloporteur vers le quatrième échangeur thermique 15 pour être de nouveau refroidi et ainsi poursuivre le traitement thermique du dispositif de stockage électrique.
Le fluide caloporteur circule également dans la première boucle 4 afin de condenser le fluide réfrigérant au sein du premier échangeur thermique 6 et participer au cycle thermodynamique du fluide réfrigérant. Ainsi, le fluide caloporteur augmente en température en circulant au sein du premier échangeur thermique 6 car il capte les calories du fluide réfrigérant.
Par la suite, le fluide caloporteur poursuit sa circulation au sein de la première boucle 4 jusqu’à circuler au sein du deuxième échangeur thermique
7 puis du troisième échangeur thermique 8 afin que les calories captées par le fluide caloporteur soient dissipées à l’aide du flux d’air extérieur 9. La circulation du fluide caloporteur en série dans le deuxième échangeur 7 puis dans le troisième échangeur thermique 8 permet de maximiser la dissipation des calories cumulées par le fluide caloporteur, favorisant ainsi les performances du système de traitement thermique 1. Le dispositif de stockage électrique est ainsi traité thermiquement, plus particulièrement refroidi, de manière active par le système de traitement thermique 1.
La figure 3 représente un deuxième mode de circulation du système de traitement thermique 1. Ce deuxième mode de circulation est sensiblement identique au premier mode de circulation, l’objectif étant de traiter thermiquement le dispositif de stockage électrique de manière active.
La seule différence entre les deux modes de circulation est la circulation du fluide caloporteur au sein de la première boucle 4. En effet, en sortie du premier échangeur thermique 6, le fluide caloporteur chauffé par le fluide réfrigérant circule jusqu’au premier point de divergence 11 où le premier organe de dérivation 28 le dirige vers la première branche 10, contournant ainsi le deuxième échangeur thermique 7. Les calories du fluide caloporteur ne sont ainsi dissipées par le flux d’air extérieur 9 qu’au sein du troisième échangeur thermique 8. Ce mode de circulation permet d’éviter une perte de charge trop élevée lors de la circulation au sein des échangeurs thermiques. Si une dissipation des calories seulement via le troisième échangeur thermique
8 est suffisante, alors ce deuxième mode de circulation est mis en œuvre.
Les autres circulations de fluide étant identique à ce qui a été décrit en figure 2, on se reportera à la description de cette figure pour les caractéristiques structurelles et fonctionnelles communes aux deux modes de circulation. La figure 4 illustre un troisième mode de circulation du système de traitement thermique 1. Ce mode de circulation permet toujours le traitement thermique de l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule, mais cette fois de manière passive contrairement aux deux modes de fonctionnement précédents. Un traitement thermique passif signifie qu’il est mis en œuvre grâce à l’air ambiant.
Selon ce troisième mode de circulation, le fluide caloporteur est mis en circulation dans la deuxième boucle 13 et circule au sein du quatrième échangeur thermique 15 sans échange de chaleur avec le fluide réfrigérant. Le fluide caloporteur traite ensuite thermiquement le dispositif de stockage électrique en circulant au sein du cinquième échangeur thermique 16 et captant les calories dégagées par le dispositif de stockage électrique.
Par la suite les calories captées par le fluide caloporteur sont dissipées au sein du deuxième échangeur thermique 7, et ce grâce à la liaison fluidique entre la première boucle 4 et la deuxième boucle 13 que permet le circuit de fluide caloporteur 2. En sortie du cinquième échangeur thermique 16, le deuxième organe de dérivation 29 dirige le fluide caloporteur au sein de la troisième branche 18 pour que ce dernier circule au sein du deuxième échangeur thermique 7 et que les calories captées soient dissipées par le flux d’air extérieur 9.
En sortie du deuxième échangeur thermique 7, le fluide caloporteur circule au sein de la deuxième branche 17 pour rejoindre la deuxième boucle 13 afin de nouveau de capter les calories émises par le dispositif de stockage électrique en circulant au sein du cinquième échangeur thermique 16.
Ce troisième mode de circulation est utile si un refroidissement passif est suffisant pour traiter thermiquement le dispositif de stockage électrique. On comprend ainsi que ce refroidissement passif assure le traitement thermique du dispositif de stockage électrique tout en limitant une dépense d’énergie mise en œuvre pour assurer ledit traitement thermique. Tel que cela est illustré sur la figure 4, le circuit de fluide réfrigérant 3 est entièrement inactif tout comme la circulation de fluide caloporteur au sein de la première boucle 4 à l’exception de la portion entre la deuxième branche 17 et la troisième branche 18, ce qui limite grandement l’énergie consommée pour le traitement thermique tout en atteignant l’objectif dudit traitement thermique simplement par dissipation des calories via le flux d’air extérieur 9.
Le refroidissement passif seul est mis en œuvre quand la température extérieure est inférieure à la température du dispositif de stockage électrique du véhicule, mais dans des conditions particulières. En effet, pour que le flux d’air extérieur 9 suffise à lui seul au refroidissement du dispositif de stockage électrique, d’une part une différence de température entre la température extérieure et la température du dispositif de stockage électrique du véhicule doit être suffisamment élevée pour qu’un refroidissement conséquent puisse être mis en œuvre.
D’autre part, la mise en œuvre du troisième mode de circulation est également dépendante d’une puissance demandée au niveau du dispositif de stockage électrique. Ainsi, à titre d’exemple, pour une puissance demandée de 2okw, la différence de température entre la température extérieure et la température du dispositif de stockage électrique du véhicule doit être au moins de io°C. Pour une puissance demandée de lokw, la différence de température entre la température extérieure et la température du dispositif de stockage électrique du véhicule doit être au moins de 5°C.
La figure 5 illustre un quatrième mode de circulation du système de traitement thermique 1 selon l’invention. Ce quatrième mode de circulation illustre un traitement thermique du dispositif de stockage électrique à la fois actif et passif afin d’optimiser ledit traitement thermique. Ce quatrième mode de circulation combine la circulation du fluide caloporteur dans la deuxième boucle 13 et au sein du deuxième échangeur thermique 7 du troisième mode de circulation avec la circulation du fluide réfrigérant dans le circuit de fluide réfrigérant 3 et la circulation du fluide caloporteur dans la première boucle 4 du deuxième mode de circulation. Une telle configuration est mise en œuvre lorsque la température extérieure est inférieure à la température du dispositif de stockage électrique du véhicule et qu’un traitement thermique passif seul est insuffisant. Ainsi, le fluide caloporteur circulant dans la deuxième boucle 13, capte les calories dégagées par le dispositif de stockage en circulant au sein du cinquième échangeur thermique 16. Puis, les calories captées par le fluide caloporteur sont dans un premier temps dissipées par le flux d’air extérieur 9 lorsque le fluide caloporteur circule au sein du deuxième échangeur thermique 7 via la troisième branche 18 puis la deuxième branche 17 en sortie dudit deuxième échangeur thermique 7. Dans un second temps le fluide caloporteur retourne dans la deuxième boucle 13 et est davantage refroidi au sein du quatrième échangeur thermique 15 grâce à l’échange de chaleur avec le fluide réfrigérant. Le circuit de fluide caloporteur 2 selon l’invention permet ainsi d’opérer simultanément un traitement thermique actif et passif d’un élément de la chaine de traction électrique du véhicule.
Le circuit de fluide réfrigérant 3 étant utilisé dans ce quatrième mode de circulation, la circulation de fluide caloporteur doit se faire également au niveau du premier échangeur thermique 6 afin de condenser le fluide réfrigérant en captant les calories de ce dernier et en dissipant celles-ci. Comme le deuxième échangeur thermique 7 est déjà utilisé pour opérer le traitement thermique passif du dispositif de stockage électrique, le fluide caloporteur captant les calories du fluide réfrigérant au sein du premier échangeur thermique 6 circule par la suite au sein de la première branche 10 afin de dissiper les calories exclusivement au sein du troisième échangeur thermique 8, tel que cela est illustré en figure 3. Une telle configuration permet ainsi de dédier d’une part le deuxième échangeur thermique 7 au refroidissement passif du dispositif de stockage électrique, d’autre part le troisième échangeur thermique 8 à la dissipation des calories captées par le fluide caloporteur afin de condenser le fluide réfrigérant via le premier échangeur thermique 6.
La figure 6 illustre un cinquième mode de circulation du système de traitement thermique 1 selon l’invention. Ce cinquième mode de circulation est similaire au premier mode de circulation, à l’exception qu’il met également en œuvre la troisième boucle 23, en plus du traitement thermique actif du dispositif de stockage électrique tel que décrit en figure 2, afin d’assurer en parallèle une climatisation de l’habitacle du véhicule. Ainsi, le fluide caloporteur est également mis en circulation dans la troisième boucle 23 grâce au troisième dispositif de pompage 24. En parallèle, le fluide réfrigérant ne circule plus exclusivement au sein de la voie principale 30 et de la première voie 32, mais également au sein de la deuxième voie 33, où le fluide réfrigérant, tout comme au sein de la première voie 32, est détendu pour refroidir le fluide caloporteur.
En l’occurrence, le fluide réfrigérant circulant dans la deuxième voie est détendu par le deuxième organe de détente 35, puis est évaporé au sein du sixième échangeur thermique 25, refroidissant en parallèle le fluide caloporteur circulant dans la troisième boucle 23. Ainsi le fluide réfrigérant, selon ce cinquième mode de circulation, se divise en deux fractions, chacune circulant respectivement au sein de la première voie 32 et de la deuxième voie 33 pour respectivement refroidir le fluide caloporteur circulant dans la deuxième boucle 13 et dans la troisième boucle 23.
Le fluide caloporteur refroidi au sein du sixième échangeur thermique 25 poursuit sa circulation dans la troisième boucle 23 jusqu’à circuler au sein du septième échangeur thermique 26. Le flux d’air intérieur 27 traversant le septième échangeur thermique 26, les calories du flux d’air intérieur 27 sont cédées au fluide caloporteur, refroidissant ainsi le flux d’air intérieur 27. Ce dernier est alors envoyé au sein de l’habitacle du véhicule pour climatiser celui-ci.
Selon l’illustration en figure 6, ce cinquième mode de circulation est l’équivalent du premier mode de circulation avec la climatisation de l’habitacle du véhicule en plus. L’ajout de la fonction de climatisation de l’habitacle du véhicule est toutefois transposable avec l’ensemble des modes de circulation décrits précédemment et ayant le circuit de fluide réfrigérant 3 actif, tel que cela est le cas pour le deuxième mode de circulation et pour le quatrième mode de circulation.
Les figures 7 à 10 illustrent des modes de réalisation alternatifs du circuit de fluide caloporteur 2 et/ou du système de traitement thermique 1 selon l’invention. Le circuit de fluide caloporteur 2 illustré sur les figures 7 à 9 est respectivement un deuxième mode de réalisation, un troisième mode de réalisation et un quatrième mode de réalisation du circuit de fluide caloporteur 2. Chacun de ces modes de réalisation comprend une quatrième boucle 38 pourvue d’un quatrième dispositif de pompage 39, d’un huitième échangeur thermique 40 et d’un neuvième échangeur thermique 41. La quatrième boucle 38 est totalement isolée des autres boucles du circuit de fluide caloporteur 2.
Le quatrième dispositif de pompage 39 assure la mise en circulation du fluide caloporteur dans la quatrième boucle 38. Le huitième échangeur thermique 40 permet un traitement thermique d’un élément de la chaine de traction électrique du véhicule autre que l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule traité thermiquement par le quatrième échangeur thermique 15. Dans l’exemple cité, l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule traité thermiquement par le quatrième échangeur thermique 15 est le dispositif de stockage électrique du véhicule. L’élément de la chaine de traction électrique du véhicule traité thermiquement par le huitième échangeur thermique 40 peut donc par exemple être le moteur électrique du véhicule. Ce dernier peut dégager de la chaleur nécessitant un refroidissement par exemple lorsque le véhicule circule à grande vitesse.
Le neuvième échangeur thermique 41, tout comme le deuxième échangeur thermique 7 et le troisième échangeur thermique 8, assure une dissipation des calories du fluide caloporteur à l’aide du flux d’air extérieur 9. Le moteur électrique peut ainsi être traité thermiquement de manière passive.
Le deuxième mode de réalisation, le troisième mode de réalisation et le quatrième mode de réalisation se distinguent l’un par rapport à l’autre de par la position d’un dixième échangeur thermique 42. Ce dernier est configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur 27. Le dixième échangeur thermique 42 participe ainsi au chauffage de l’habitacle du véhicule.
Dans le deuxième mode de réalisation illustré en figure 7, le dixième échangeur thermique 42 est positionné au sein de la quatrième boucle 38, en aval du huitième échangeur thermique 40 par rapport au sens de circulation du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur en circulation dans la quatrième boucle 38 capte les calories émises par le moteur électrique et les cède par la suite au flux d’air intérieur 27 qui est alors envoyé dans l’habitacle du véhicule.
Dans les troisième et quatrième modes de réalisation illustrés respectivement en figure 8 et 9, le dixième échangeur thermique 42 est positionné en aval du premier échangeur thermique 6 par rapport au sens de circulation du fluide caloporteur. Sur la figure 8, le dixième échangeur thermique 42 est positionné sur la première boucle 4, entre le premier point de divergence 11 et le deuxième échangeur thermique 7. Sur la figure 9, le dixième échangeur thermique 42 est positionné sur la première branche 10. Comme cela a été décrit précédemment, lorsqu’il circule au sein du premier échangeur thermique 6, le fluide caloporteur capte les calories du fluide réfrigérant pour condenser ce dernier. Le fluide caloporteur est donc à haute température en sortie du premier échangeur thermique 6 et offre ainsi une source de chaleur au flux d’air intérieur 27 en circulant au sein du dixième échangeur thermique 42, assurant le chauffage de l’habitacle du véhicule.
Le reste des éléments structurels et fonctionnels étant identique au premier mode de réalisation, on se reportera à la description des figures 1 à 6 pour des détails concernant les éléments communs à l’ensemble des modes de réalisation. L’ensemble des modes de circulation décrits précédemment sont également opérationnels lorsqu’ils sont appliqués aux modes de réalisation illustrés aux figures 7 à 9.
La figure 10 illustre un cinquième mode de réalisation du système de traitement thermique 1 selon l’invention. Ce cinquième mode de réalisation se distingue des modes de réalisation précédents en ce qu’il ne comprend ni de troisième boucle, ni de quatrième boucle. La climatisation de l’habitacle du véhicule n’est ainsi pas opérée via le septième échangeur thermique mais par un échangeur de chaleur direct 43 placé sur la deuxième voie 33 du circuit de fluide réfrigérant 3, en aval du deuxième organe de détente 35. Autrement dit, c’est le fluide réfrigérant qui refroidit directement le flux d’air intérieur 27 sans l’intermédiaire du fluide caloporteur. Le circuit de fluide caloporteur 2 est néanmoins toujours opérationnel tel que décrit précédemment pour traiter l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule. Ainsi, les modes de circulation décrits aux figures 2 à 5 sont également applicables au cinquième mode de réalisation.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
L’invention, telle qu’elle vient d’être décrite, atteint bien le but qu’elle s’était fixée, et permet de proposer un circuit de fluide caloporteur apte à mettre en œuvre un traitement thermique actif et/ ou passif d’un élément de la chaine de traction électrique d’un véhicule. Des variantes non décrites ici pourraient être mises en œuvre sans sortir du contexte de l’invention, dès lors que, conformément à l’invention, elles comprennent un circuit de fluide caloporteur conforme à l’invention.

Claims

REVENDICATIONS i- Circuit de fluide caloporteur (2) pour un système de traitement thermique (1) d’un véhicule et destiné à être parcouru par un fluide caloporteur, comprenant : une première boucle (4) comportant un premier dispositif de pompage (5), un premier échangeur thermique (6) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un fluide réfrigérant circulant dans un circuit de fluide réfrigérant (3), un deuxième échangeur thermique (7) et un troisième échangeur thermique (8) tous deux configurés pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un flux d’air extérieur (9) à un habitacle du véhicule, une première branche (10) s’étendant entre un premier point de divergence (11) disposé sur la première boucle (4) entre le premier échangeur thermique (6) et le deuxième échangeur thermique (7) et un premier point de convergence (12) disposé sur la première boucle (4) entre le deuxième échangeur thermique (7) et le troisième échangeur thermique (8), une deuxième boucle (13) comportant un deuxième dispositif de pompage (14), un quatrième échangeur thermique (15) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant (3) et un cinquième échangeur thermique (16) configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule, caractérisé en ce que la première boucle (4) et la deuxième boucle (13) sont fluidiquement reliées entre elles par une deuxième branche (17) et par une troisième branche (18), la deuxième branche (17) s’étendant entre un deuxième point de divergence (19) disposé sur la première boucle (4) entre le deuxième échangeur thermique (7) et le premier point de convergence (12) et un deuxième point de convergence (20) disposé sur la deuxième boucle (13) en aval du cinquième échangeur thermique (16) et en amont du quatrième échangeur thermique (15), la troisième branche (18) s’étendant entre un troisième point de divergence (21) disposé sur la deuxième boucle (13) entre le cinquième échangeur thermique (16) et le deuxième point de convergence (20) et un troisième point de convergence (22) disposé sur la première boucle (4) entre le premier point de divergence (n) et le deuxième échangeur thermique (7).
2- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 1, dans lequel le cinquième échangeur thermique (16) est configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule parmi un dispositif de stockage électrique du véhicule, un moteur électrique du véhicule ou une unité de commande du véhicule.
3- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 1 ou 2, comprenant une troisième boucle (23) comportant un troisième dispositif de pompage (24), un sixième échangeur thermique (25) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide réfrigérant circulant dans le circuit de fluide réfrigérant (3) et un septième échangeur thermique (26) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et un flux d’air intérieur (27) destiné à être envoyé vers l’habitacle du véhicule.
4- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 3, comprenant une quatrième boucle (38) comportant un quatrième dispositif de pompage (39), un huitième échangeur thermique (40) configuré pour traiter thermiquement un élément de la chaine de traction électrique du véhicule et un neuvième échangeur thermique (41) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air extérieur (9).
5- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication précédente, dans lequel la quatrième boucle (38) comprend un dixième échangeur thermique (42) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur (27).
6- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 4, dans lequel la première boucle (4) comprend un dixième échangeur thermique (42) disposé entre le premier échangeur thermique (6) et le deuxième échangeur thermique (7), le dixième échangeur thermique (42) étant configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur (27).
7- Circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 4, dans lequel la première branche (10) comprend un dixième échangeur thermique (42) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le flux d’air intérieur (27).
8- Circuit de fluide caloporteur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième échangeur thermique (7) et le troisième échangeur thermique (8) sont superposés l’un par rapport à l’autre selon un sens de circulation du flux d’air extérieur (9), le deuxième échangeur thermique (7) étant disposé en amont du troisième échangeur thermique (8) par rapport audit sens de circulation du flux d’air extérieur (9).
9- Circuit de fluide caloporteur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier point de divergence (11) et/ou le troisième point de divergence (21) comprend un organe de déviation (28, 29).
10- Système de traitement thermique (1) d’un véhicule, comprenant un circuit de fluide caloporteur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un circuit de fluide réfrigérant (3).
11- Système de traitement thermique (1) d’un véhicule, comprenant un circuit de fluide caloporteur (2) selon la revendication 1 ou 2 et un circuit de fluide réfrigérant (3) comprenant un échangeur de chaleur direct (43) configuré pour opérer un échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et un flux d’air intérieur (27) destiné à être envoyé vers l’habitacle du véhicule.
12- Procédé de traitement thermique d’un véhicule, mis en œuvre par un système de traitement thermique (1) selon la revendication 10 ou 11, au cours duquel : on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule via le quatrième échangeur thermique (15), et/ou on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule via le deuxième échangeur thermique (7).
13- Procédé de traitement thermique selon la revendication précédente, au cours duquel on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule uniquement via le quatrième échangeur thermique (15) quand la température extérieure est supérieure à la température de l’élément de la chaine de traction électrique, on refroidit l’élément de la chaine de traction électrique du véhicule uniquement via le deuxième échangeur thermique (7), ou via le deuxième échangeur thermique (7) et via le quatrième échangeur thermique (15) quand la température extérieure est inférieure à la température de l’élément de la chaine de traction électrique.
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