Titre : Dispositif de motorisation, véhicule volant et procédé de refroidissement d'un moteur

L'invention concerne un dispositif de motorisation, un véhicule volant et un procédé de refroidissement d'un moteur.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de motorisation, notamment pour véhicule volant tel qu'un aéronef ou un engin spatial, comprenant au moins un moteur et un dispositif de refroidissement du moteur, le dispositif de refroidissement du moteur comprenant un réfrigérateur cryogénique, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le réfrigérateur comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le réfrigérateur comprenant une portion d'échange de chaleur entre le fluide de travail détendu dans le mécanisme de détente et le moteur, le réfrigérateur étant configuré pour produire une première puissance de réfrigération maximale déterminée.

Pour refroidir des moteurs, notamment de type supraconducteur, il est connu d'utiliser un réfrigérateur de type cryogénique, c'est-à-dire permettant d'atteindre une température cryogénique comprise par exemple entre-100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade.

L'intégration d'un tel réfrigérateur dans un véhicule, notamment volant, est soumise à des contraintes de masses.

Pour optimiser la masse d'un tel réfrigérateur, le réfrigérateur peut être du type utilisant un circuit d'un fluide de travail réalisant un cycle thermodynamique de type Brayton-Inverse fermé. Ce cycle récupératif peut utiliser des compresseurs centrifuges pour une compression du fluide de travail, au moins un échangeur de chaleur à contre-courant, notamment du type à tube et calandre (pour le refroidissement après la compression et le réchauffage après la détente), une ou des turbines de détente centripète et des alternateurs.

Cette architecture, bien qu'ayant une structure optimisée par rapport à des réfrigérateurs industriels, reste encore trop massive pour certaines applications d'aéronefs ou équivalent. Ainsi, pour fournir une puissance froide de l'ordre de lkW à une température de 25K (typiquement le besoin de puissance froide pour un moteur supraconducteur de puissance d'environ 1MW) la masse d'un tel réfrigérateur peut atteindre 250kg. Bien qu'inférieure d'au moins un ordre de grandeur par rapport à la masse d'un réfrigérateur industriel, elle représente tout de même encore plusieurs fois la masse du moteur lui-même.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci- dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement du moteur comprend en outre un système de réfrigération additionnel comprenant un stockage de fluide cryogénique pouvant être mis en échange en thermique avec le réfrigérateur et/ou le moteur, le système de réfrigération additionnel étant configuré pour fournir une seconde puissance de réfrigération maximale déterminée au réfrigérateur et/ou au moteur lorsque le fluide cryogénique est mis en échange en thermique avec le réfrigérateur et/ou le moteur.

Cette structure permet de dimensionner le réfrigérateur cryogénique pour la phase d'utilisation usuelle et éventuellement la plus longue (vol de croisière dans le cas d'un aéronef par exemple) qui peut avoir un besoin de refroidissement moindre par rapport à d'autres phases de fonctionnement ponctuelles (décollage par exemple). Ceci permet de réduire la masse du réfrigérateur cryogénique embarqué, par exemple de près de 50%, ainsi que de réduire sa puissance électrique d'alimentation de près de 35% pendant les phases de fonctionnement concernées.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le stockage de fluide cryogénique du système de réfrigération additionnel comprend un fluide liquéfié et/ou à l'état solide, le système de réfrigération additionnel comprend un circuit de transfert du fluide cryogénique en échange thermique avec le réfrigérateur et/ou le moteur, le circuit de transfert du système de réfrigération additionnel comprend une portion en échange thermique avec le circuit du fluide de travail, notamment avec au moins un échangeur de chaleur de réchauffage et/ou de refroidissement du fluide de travail du circuit de travail, le circuit de travail comprend plusieurs échangeurs de chaleur de réchauffement et/ou de refroidissement du fluide de travail disposés en série, le circuit de transfert du système de réfrigération additionnel comprend une portion en échange thermique avec lesdits échangeurs de chaleur en série, le circuit de transfert du système de réfrigération additionnel comprend une extrémité amont reliée au stockage de fluide cryogénique et une extrémité aval reliée à une zone de décharge, le système de réfrigération additionnel comprend une portion de dérivation du circuit de travail en échange thermique avec le fluide cryogénique du stockage et un système de répartition d'au moins une partie du fluide de travail du circuit de travail dans ladite portion de dérivation, le système de réfrigération additionnel est commutable entre une première configuration fournissant la seconde puissance de réfrigération maximale au réfrigérateur et/ou au moteur et une seconde configuration fournissant au réfrigérateur et/ou au moteur une puissance de refroidissement nulle ou inférieure à la seconde puissance de réfrigération maximale, le système de réfrigération additionnel est configuré pour augmenter ponctuellement la puissance de réfrigération du dispositif de refroidissement du moteur, c'est-à-dire que la première puissance de réfrigération maximale est inférieure à la somme de la première puissance de réfrigération maximale et de la seconde puissance de réfrigération maximale, la première puissance de réfrigération maximale et comprise entre 40 et 80% et de préférence entre 50 et 70% de la somme de la première puissance de réfrigération maximale et de la seconde puissance de réfrigération maximale, le stockage de fluide cryogénique du système de réfrigération additionnel contient au moins l'un parmi : de l'hydrogène, de l'azote, du néon, de l'hélium à l'état liquide et/ou solide, le moteur est du type supraconducteur, le dispositif comporte un contrôleur électronique relié au dispositif de refroidissement du moteur et configuré pour commander la puissance de réfrigération du réfrigérateur et du système de réfrigération additionnel fourni au moteur, le contrôleur électronique est configuré pour réguler le niveau de puissance de réfrigération du réfrigérateur et du système de réfrigération additionnel en fonction d'un signal de consigne.

L'invention concerne également un véhicule volant comprenant un dispositif de motorisation conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.

Selon d'autres particularités possibles : le dispositif de refroidissement du moteur est configuré pour fournir une première quantité de froid pour refroidir le moteur pendant une première phase de fonctionnement du véhicule, notamment pendant une phase de décollage, et pour fournir une seconde quantité de froid pour refroidir le moteur pendant une seconde phase de fonctionnement du véhicule, notamment pendant une phase de vol stabilisé, la première quantité de froid étant supérieure à la seconde quantité de froid, la première quantité de froid est fournie par le réfrigérateur et éventuellement le système de réfrigération additionnel, la seconde quantité de froid est fournie par le réfrigérateur et éventuellement le système de réfrigération additionnel, la première quantité de froid est la somme de la première puissance de réfrigération maximale fournie par le réfrigérateur et de la seconde puissance de réfrigération maximale fournie par le système de réfrigération additionnel, la seconde quantité de froid étant constituée uniquement de la première puissance de réfrigération maximale fournie par le réfrigérateur.

1/ invention concerne également un procédé de refroidissement d'au moins un moteur de véhicule selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, le procédé comprenant une étape de refroidissement du moteur avec une première quantité de froid pendant une première phase de fonctionnement du véhicule et une étape de refroidissement du moteur avec une seconde quantité de froid pendant une seconde phase de fonctionnement du véhicule, la première quantité de froid étant supérieure à la seconde quantité de froid, la première phase de fonctionnement du véhicule étant située chronologiquement avant ou après la seconde phase de fonctionnement du véhicule.

Selon d'autres particularités possibles : la première phase de fonctionnement du véhicule a une première durée déterminée, par exemple pendant une phase de décollage comprise entre une et dix minutes, la seconde phase de fonctionnement comprend par exemple une phase de vol stabilisé ayant une seconde durée comprise entre cinq minutes et plusieurs heures. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci- dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig. 1] représente une vue schématique et partielle illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement du dispositif l'invention,

[Fig. 2] représente un exemple de variation de la puissance de réfrigération fournie par le dispositif au cours du temps,

[Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant un deuxième exemple de structure et de fonctionnement du dispositif l'invention,

[Fig. 4] représente une vue schématique et partielle illustrant un troisième exemple de structure et de fonctionnement du dispositif l'invention.

Le dispositif 1 de motorisation, notamment pour véhicule volant tel qu'un aéronef ou un engin spatial, représenté à la [Fig. 1] comprend un moteur 2 et un dispositif de refroidissement du moteur 2. Le dispositif de refroidissement du moteur 2 comprend un réfrigérateur cryogénique, c'est-à-dire refroidissant un fluide de travail à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade. Le réfrigérateur comprend un circuit 10 de travail formant une boucle (de préférence fermée et hermétique) et contenant un fluide de travail. Ce fluide de travail peut être de l'hélium, de l'hydrogène ou tout autre gaz ou mélange (par exemple hélium et azote ou hélium et argon ou hélium et néon ou hélium et azote et argon ou hélium et azote et néon...).

Le circuit 10 de travail forme un cycle comprenant en série: un mécanisme 4 de compression du fluide de travail, un mécanisme 6 de refroidissement du fluide de travail comprimé, un mécanisme 16 de détente du fluide de travail et un mécanisme 5, 7 de réchauffement du fluide de travail détendu. En aval de la portion de détente 16, le circuit comporte de préférence une portion 7 d'échange de chaleur entre le fluide de travail froid détendu dans le mécanisme 16 de détente et le moteur 2. Cette portion 7 d'échange peut comporter notamment un échangeur de chaleur entre le fluide de travail et le moteur 2.

Comme illustré, le réfrigérateur peut comprendre un échangeur de chaleur 6 de refroidissement refroidissant le fluide de travail en sortie du compresseur 4 (par exemple par échange de chaleur avec de l'eau, de l'air ou un autre caloporteur). Ceci permet de réaliser une compression isotherme ou sensiblement isotherme (ou compression isentropique ou sensiblement isentropique).

Comme schématisé par des pointillés, la turbine 16 et le compresseur 4 peuvent être monté (accouplés directement) au niveau respectivement des deux extrémités de l'arbre d'entraînement d'un moteur 3 d'entraînement à haute vitesse (10000 tours par minute ou plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de milliers de tours par minute).

Alternativement, les turbines et compresseurs peuvent être découplées pour pouvoir tourner à des vitesses de rotation différentes (notamment entre deux cent mille et trois cent mille tours par minute pour les turbines et cent cinquante mille tours par minute pour les compresseurs). Dans ce dernier cas, la turbine 16 peut être reliée à un alternateur qui permet de récupérer l'énergie de détente, énergie qui une fois transformée en électricité peut servir à alimenter le moteur du compresseur 4. De préférence les compresseur(s) 4 et turbine(s) 6 sont montés sur l'arbre via des paliers statiques, magnétiques ou dynamiques à gaz.

Ce réfrigérateur est configuré pour produire une première puissance PI de réfrigération maximale déterminée.

Le dispositif de refroidissement du moteur 2 comprend en outre un système de réfrigération additionnel. Ce système de réfrigération additionnel est distinct du mécanisme 6 de refroidissement du gaz de travail et distinct également du fluide de travail et du circuit 10 de travail correspondant. Ce système de réfrigération additionnel comprenant dans l'exemple de la figure 3 un stockage ou réservoir 8 de fluide cryogénique et un circuit 9 de transfert permettant, si besoin, un échange en thermique du fluide cryogénique avec le réfrigérateur et/ou le moteur 2. Ce système de réfrigération additionnel est configuré pour fournir une seconde puissance P2 de réfrigération maximale déterminée au réfrigérateur et/ou au moteur 2 si besoin c'est- à-dire que le stockage 8 et le circuit 9 de transfert sont distincts du circuit de travail et du mécanisme de refroidissement du fluide de travail (en sortie de compression). Ce circuit de transfert 9 est configuré pour permettre de fournir une puissance de réfrigération supplémentaire en cas de besoin uniquement (par exemple de façon intermittente).

De préférence, le système de réfrigération additionnel est commutable entre au moins une première configuration fournissant la seconde puissance P2 de réfrigération maximale déterminée au réfrigérateur et une seconde configuration fournissant au réfrigérateur une puissance de refroidissement nulle ou inférieure à la seconde puissance P2 de réfrigération maximale déterminée .

Ainsi, le système de réfrigération additionnel est configuré pour permettre d'augmenter ponctuellement la puissance de réfrigération du dispositif de refroidissement du moteur 2. C'est-à-dire que la première puissance PI de réfrigération maximale déterminée est inférieure à la somme de la première puissance PI de réfrigération maximale déterminée et de la seconde puissance P2 de réfrigération maximale.

Ceci est schématisé à titre d'exemple à la [Fig. 2]. Par exemple, le réfrigérateur cryogénique est dimensionné pour fournir la puissance froide maximale correspondante au mode de fonctionnement le plus fréquent, par exemple, la phase la plus longue du vol de l'engin (vol croisière). La première puissance PI de réfrigération est celle nécessaire pour refroidir le moteur 2 pendant la phase de croisière du vol (à partir de tl). Elle peut correspond à 50 à 70% de la puissance froide nécessaire au décollage (100% entre to et tl). Ainsi, pendant la phase la plus gourmande en puissance froide (par exemple décollage dont la durée tl-tO est généralement inférieure à 5mn), le dispositif de refroidissement utilisera alors à ce moment-là en plus le système de réfrigération additionnel. Par exemple, de l'hydrogène liquide (stocké à une température d'environ 25 K) ou un autre fluide (azote, hélium, néon...) peut être injecté dans le cycle du circuit 10 de travail. Ce liquide cryogénique et se réchauffe en remontant à travers l'échangeur 5 de chaleur en refroidissant le fluide de travail dans le cycle. Par exemple le système de réfrigération additionnel est en échange thermique via le circuit 9 de transfert avec au moins un échangeur 5 de chaleur principal (par exemple à contre-courant) du circuit 10 de travail.

Le fluide réchauffé éventuellement vaporisé peut être évacué vers l'extérieur dans une zone de récupération par exemple, vers une pile à combustible qui récupère l'hydrogène pour générer de l'électricité lorsque ce fluide est utilisé.

Dans le cas d'un aéronef, la puissance froide nécessaire au cours d'un vol peut être très variable. Comme illustré, elle peut être maximale au décollage (phase d'une durée de quelques minutes) puis peut diminue d'environ 30 à 50% pour le reste du vol (qui peut durer plusieurs heures). Le dispositif peut répondre à ces besoins tout en étant optimisé en masse.

Dans le cas d'une puissance de réfrigération de lkW à 25K nécessaire pendant le décollage (Pl+P2=100%) pendant par exemple cinq minutes et une puissance de réfrigération nécessaire moindre ensuite : 665W à 25K pendant le reste du vol (Pl=70%), la quantité (masse) d'hydrogène liquide (ou autre liquide cryogénique) nécessaire est relativement faible, notamment moins de 200g. Le débit associé peut être inférieur à lg/s. Ainsi, contrairement à un réfrigérateur classique seul ayant une puissance électrique d'environ 46kW et une masse optimisée (hors châssis, câbles d'alimentation et armoires de puissance et de commande) de l'ordre de 250kg, le réfrigérateur cryogénique du dispositif selon l'invention pourrait avoir une masse diminuée jusqu'à 130kg environ pour une puissance électrique maximale de 30kW environ. Ainsi, en injectant une quantité très faible d'hydrogène liquide (ou autre fluide très froid) dans le cycle du circuit de travail pendant une durée d'environ cinq minutes, on arrive donc à réduire de près de 50% la masse du réfrigérateur cryogénique embarqué.

Comme illustré, le circuit 9 de transfert du système de réfrigération additionnel comprend de préférence une portion en échange thermique avec le circuit 10 du fluide de travail, notamment avec au moins un échangeur 6 de chaleur de réchauffage et/ou de refroidissement du fluide de travail.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple schématique de la [Fig. 1]. Comme illustré à titre d'exemple à la [Fig. 3], le circuit 10 de travail peut comprendre plusieurs échangeurs 6 de chaleur de réchauffement et de refroidissement du fluide de travail (échangeurs de chaleur à contre-courant) disposés en série. Le circuit 9 de transfert du système de réfrigération additionnel peut comprendre une portion en échange thermique avec tout ou partie desdits échangeurs 6 de chaleur en série.

Le circuit 9 de transfert du système de réfrigération additionnel peut comprendre une extrémité amont reliée au stockage 8 de fluide cryogénique et une extrémité aval reliée à une zone de décharge. Comme évoqué ci-dessus, cette zone de décharge peut comprendre par exemple une entrée de pile à combustible (pour y recycler le gaz lorsque c'est de l'hydrogène par exemple) ou une chambre de combustion lorsque le fluide est un combustible (cas de l'hydrogène notamment). Comme schématisé à la [Fig. 1], le dispositif ou véhicule peut comporter un contrôleur 100 électronique relié au dispositif de refroidissement du moteur 2 et configuré pour commander la puissance de réfrigération du système de réfrigération additionnel et éventuellement du réfrigérateur fournie(s) au moteur 2. Par exemple, le contrôleur 100 électronique comprend un microprocesseur et/ou contrôleur et/ou un ordinateur et est configuré (programmé) pour piloter tout ou partie des composants du dispositif, notamment une vanne 12 de contrôle du débit dans le circuit 9 de transfert.

Le contrôleur 100 électronique peut notamment être configuré pour réguler le niveau de puissance de réfrigération du réfrigérateur et notamment du système de réfrigération additionnel en fonction d'un signal 11 de consigne, par exemple transmis par le moteur 2 ou un autre organe du véhicule ou du dispositif (signal de consigne en fonction de la phase d'utilisation ou du besoin en réfrigération du moteur 2).

De même, comme illustré, le réfrigérateur cryogénique peut comporter plusieurs compresseurs 4 en série (deux dans l'exemple de la [Fig. 3] mais un, deux, trois ou plus de quatre est envisageable) et une ou plusieurs turbines 16 (deux, trois ou plus de quatre est envisageable en série et/ou en parallèle).

De même comme illustré, un échangeur 16 de refroidissement du fluide de travail peut être prévu en sortie de chaque compresseur 4 ou en sortie de certains d'entre eux seulement. De préférence, le circuit de travail soumet le fluide de travail à un cycle thermodynamique de type Brayton inverse.

Le mode de réalisation de la [Fig. 4] se distingue de celui de la [Fig. 3] uniquement en ce que le système de réfrigération additionnel comprend un stockage 8 de fluide cryogénique (de préférence contenant du gaz à l'état solide : néon ou tout autre gaz ou mélange de gaz approprié) et une portion 14 de dérivation du circuit 10 de travail en échange thermique avec le fluide cryogénique du stockage 8 associée à un système 15 de répartition d'au moins une partie du fluide de travail du circuit 10 de travail dans ladite portion 14 de dérivation.

Par exemple, la portion 14 de dérivation transite dans le stockage 8 de fluide cryogénique. Le système 15 de répartition peut comprendre au moins une vanne qui, selon son état (fermé/ouvert) fait transiter ou non le fluide de travail du circuit 10 de travail dans le stockage 8 pour le refroidir ce dernier par échange de chaleur avec le fluide cryogénique du stockage 8. Par exemple, le système 15 de répartition peut être de type tout ou rien ou progressif c'est-à-dire assurant une répartition d'une fraction seulement de fluide de travail via le stockage 8 de fluide cryogénique pour réguler la quantité de froid apportée au réfrigérateur. Le système de répartition peut être piloté par le contrôleur 100 électronique.

Comme illustré, le stockage 8 de fluide cryogénique peut être interposé entre deux échangeurs 5 de chaleur du réfrigérateur, pour assurer, lorsque nécessaire, un refroidissement supplémentaire du fluide de travail dans son cycle. L'invention peut s'appliquer au refroidissement de tout autre organe ou appareil qu'un moteur de véhicule. En particulier, le mode de réalisation utilisant un stockage de fluide cryogénique contenant du gaz à l'état solide peut être utilisé pour suppléer la puissance de réfrigération d'un réfrigérateur cryogénique. Le réfrigérateur cryogénique peut de ce fait être optimisé (masse notamment). Ceci permet, lorsque la masse est une contrainte pour réfrigérateur cryogénique (cryocooler), et que, selon les phases de fonctionnement, des puissances froides plus ou moins importantes sont nécessaires, de dimensionner le réfrigérateur pour la puissance froide la plus faible et d'avoir une source froide additionnelle pour les phases nécessitant une puissance froide plus importante.