Brevet FR2443572A1 — publié le 19800704

L'invention est relative à un vase compensateur, pour liquide de refroidissement, qui, d'une part, est raccordé à son entrée par au moins deux canalisations de purge et à sa sortie par une canalisation de retour d'un courant parallèle à un circuit principal de liquide de refroidissement qui relie ltentrde de liquide de la chemise de refroidissement d'un moteur à combustion interne ainsi que la sortie de liquide de cette chemise à un échangeur de chaleur servant à dissiper la chaleur du liquide de refroidissement de façon telle que l'une des canalisations de purge communique en permanence avec la sortie de liquide de la chemise en agissant comme canalisation de purge lors de la marche du moteur, que l'autre canalisation de purge communique avec ltéchangeur de chaleur et que la canalisation de retour communique en permanence avec I'entrée de liquide de la chemise et dans lequel, d'autre part, une cloison intérieure approximativement verticale sépare d'une préchambre où débouchent les canalisations de purge une chambre d'aspiration où débouchela canalisation de retour, et comporte deux passages faisant communiquer entre elles la préchambre et la chambre d'aspiration, savoir un passage de liquide situé au fond du vase compensateur et destiné à faire passer directement, en totalité ou en majeure partie, le courant parallèle et un passage de purge situé au sommet du vase. Dans un vase compensateur connu de ce type (demande de brevet allemand nO 2 437 502), on vise à améliorer l'effet séparateur dans les Conditions-de fonctionnement pour lesquelles on doit s'attendre à une apparition accrue de bulles d'air, de vapeur ou de gaz dans le courant parallèle. Â cet effet, le passage du courant parallèle est divisé en une première branche pour le liquide de refroidissement pauvre en bulles, établie entre la préchambre et la chambre d'aspiration, et en une deuxième branche parallèle à la première pour le liquide de refroidissement riche en bulles, cette deuxième branche étant située à une hauteur (géodésique) intermédiaire entre celle du passage de purge et celle de la première branche. Ce vase compensateur connu est relativement encombrant en hauteur et, sur les véhicules, il ne peut souvent pas être disposé suffisamment haut au-dessus de l'échangeur de chaleur ou radiateur. L'échangeur de chaleur et la chemise de refroidissement du moteur ne peuvent donc être remplis qu'imparfaitement de liquide de refroidissement car, étant donné l'existence d'un volume d'expansion suffisant dans le vase compensateur, le niveau d'eau à froid se situe au-dessous du bord supérieur de la caisse à eau de l'échangeur de chaleur associé. Il en résulte que, dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables, le véhicule sur lequel est installé le moteur doit circuler avec un trop faible volume d'eau de refroidissement dans la chemise du moteur et dans l'échangeur de chaleur ou avec une quantité d'air accrue mélangée à l'eau du circuit de refroidissement. Dans un autre vase compensateur connu du même type (demande de brevet allemand nO 2 462 094), il est prévu-aux mêmes fins (c'est-à-dire en vue d'améliorer 11 effet séparateur) de disposer des moyens directeurs additionnels dans la préchambre et de placer ces moyens directeurs, entre l'ouverture par laquelle l'une des canalisations de purge débouche dans la préchambre et les passages ménagés dans la cloison, de façon telle, en fonction de l'écoulement, que le liquide de refroidissement riche en bulles qui circule dans cette canalisation de purge soit dévié vers le sommet du vase compensateur. Même un tel vase compensateur ne permet pas un remplissage sans inclusion et mélange d'air, à vitesse et volume de remplissage donnés. Avec un vase compensateur du type défini ci-dessus et compte tenu tant de la position particulière que doivent occuper l'échangeur de chaleur et le vase compensateur sur un véhicule que des limites d'encombrement assignées à ce vase compensateur, l'invention a pour but d'assurer un remplissage complet de l'échangeur de chaleur et de la chemise de refroidissement du moteur à combustion interne, en respectant les spécifications imposées dans chaque cas à la vitesse et au volume de remplissage.Elle a également pour but d'éviter les pertes de liquide de refroidissement qui peuvent se produire dans certains états de fonctionnement, selon les conditions de charge, la température de l'air extérieur, la température de l'huile du moteur, la température de l'eau de refroidissement et le tarage de la soupape de strette (travaillant à la surpression) du circuit de refroidissement. Selon l'invention, ce double but est atteint gracie essentiellement au fait que le vase compensateur est divisé, par une cloison étanche, en une chambre d'expansion et en une chambre de remplissage qui est elle-même subdivisée par la cloison intérieure approximativement verticale en la préchambre et en la chambre d'aspiration et qu'un tube de retour du liquide de refroidissement relie la chambre d'expansion à la préchambre en un point haut de celle-ci. Etant donné qu'elle est séparée de la chambre d' expan- sion conformément à l'invention, la chambre de remplissage peut entre remplie à l'aide d'une pipe de remplissage Jusqu'd un niveau limite déterminé. Sous l'effet des variations de hauteur (géodésique) du niveau d'eau, on obtient le remplissage limité qui est souhaité, sans inclusion ni mélange d'air. Gråce à la limitation apportée au remplissage, on est également assuré que la chambre de remplissage ne reçoit pas une quantité excessive de liquide de refroidissement. Le volume restant autorise les dilatations du liquide de refroidissement, dans la gamme des températures de fonctionnement. Ceci signifie qu'en fonctionnement normal, la chambre d'expansion sert de volume de compression et établit la liaison avec l'atmosphère par l'intermédiaire du tube de retour du liquide de refroidissement et d'une soupape de sûreté travaillant à la surpression. Selon un développement avantageux de l'invention, une soupape de sdreté, qui travaille à la surpression et qui est munie d'une soupape de sûreté intégrée travaillant à la dépression et d'un tube de purge, est disposée à la partie supérieure de la chambre d'expansion et une pipe de remplissage, dont l'orifice est situé au-dessous du point le plus haut du tube de retour du liquide de refroidissement, est disposé dans la préchambre et est agencée de façon que, lorsqu'elle est fermée, elle ne comporte aucune liaison avec l'afmosphère. Il est possible de relier la canalisation de purge de l'échangeur de chaleur à cette pipe de remplissage. Pour assurer la purge de deux circuits de refroidissement séparés, il est certes connu (demande de brevet allemand n0 2 063 298) de disposer une cloison absolument étanche entre un vase compensateur et un réservoir de réserve. Au contraire, la cloison qui est prévue selon l'invention n'est pas absolument étanche puisqu'elle est traversée par le tube de retour du liquide de refroidissement, de sorte qu'on obtient deux chambres dépendantes dont les fonctions sont différenciées. La chambre de remplissage assume la fonction la plus importante tandis que la chambre d'expansion remplit des fonctions accessoires adaptées aux diverses conditions de fonctionnement et, contrairement à un simple vase de trop-plein, sert à recevoir un volume de dilatation qui dépend de la température. Dans le système de purge connu, le deuxième vase compensateur qui est par ailleurs nécessaire sert de vase de trop-plein pour le premier vase compensateur en vue de réduire les pertes d'eau ; en d'autres termes, il n'est attribué à ce vase de trop-plein que les fonctions d'alimentation en liquide de refroidissement, sans influence extérieure, et de réduction des pertes d'eau. En vue d'assurer l'adaptation au volume récepteur de la chambre d'expansion lors du dépassement du point d'ébullition (en fonction de la surpression), il y a intérêt, selon une autre caractéristique de l'invention, à placer un étranglement dans le tube de retour du liquide de refroidissement. 'Cet étranglement ou orifice calibré provoque une augmentation de pression dans le circuit. Ceci élève le point d'ébullition et diminue donc la vaporisation du liquide de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont être décrits en détail ci-après à l'aide du dessin qui en représente schématiquement un mode de réalisation particulier. La figure 1 représente un circuit de refroidissement avec le moteur à combustion interne, l'échangeur de chaleur et le vase compensateur (en coupe selon la ligne I-I, figure . La figure 2 représente un vase compensateur conforme à l'invention, en coupe selon la ligne A-B de la figure 1. Le circuit de refroidissement, qui est représenté schématiquement à la figure 1 et qui est destiné par exemple à un véhicule automobile, est constitué de la chemise de refroidissement d'un moteur à combustion interne 1, d'un échangeur de chaleur 2 pour le liquide de refroidissement et d'un ventilateur 19 qui est entraîné par le moteur 1, un accouplement sensible à la température pouvant être intercalé entre le moteur 1 et le ventilateur 19. La chemise de refroidissement du moteur 1 est reliée à l'échangeur de chaleur 2 par une canalisation d' entrée 5 et par une canalisation de sortie 6 (les termes "entrée" et "sortie" étant considérés ici par rapport à l'échangeur de chaleur 2). La canalisation de sortie 6 va de l'échangeur de chaleur 2 à une pompe à eau 4 et, de là, à la chemise de refroidissement du moteur 1. En général, la canalisation 5 ou 6 comporte un thermostat (non représenté) qui, en agissant sur un by-pas met ou non en circuit l'échangeur de chaleur 2 en fonction de la température du liquide de refroidissement. Un vase compensateur 3 est relié à l'échangeur de chaleur 2 et à la chemise de refroidissement du moteur 1. Une canalisation 8 assure la purge de cette chemise de refroidissement et une canalisation 9 la purge de l'échangeur de chaleur 2, et ceci en déboxhant à 11 intérieur du vase compensateur 3. Le vase compensateur 3 est relié à la pompe à eau 4 par l'intermédiaire d'une canalisation de remplissage (ou d'aspiration) 7. Cette canalisation 7 joue le rôle d'une canalisation de retour d'un courant parallèle. Ainsi qu'il ressort de la figure 2, le vase compensateur 3 est divisé par une cloison verticale étanche 12 en deux chambres dépendantes l'une de l'autre, savoir une chambre d'expansion 10 et une chambre de remplissage il dont les fonctions sont différenciées. La chambre d'expansion 10 du vase compensateur 3 est munie d'une soupape de sQreeé 14 fonctionnant tant à la surpression qu'à la dépression et équipée d'un tube de purge 17. La chambre de remplissage 11 comporte une pipe de remplissage 16 à limiteur de niveau 15. Il est également possible de relier la canalisation de purge 9 de l'échangeur de chaleur 2 à la pipe de remplissage 16. La construction intérieure de la chambre de remplissage li ressort de la figure 1. Cette construction est à peu près la m8me que celle du vase compensateur connu qui a été évoqué cidessus. La chambre de remplissage 11 est subdivisée par une cloison 20 en une préchambre 22 et en une chambre d'aspiration 23. Les canalisations de purge 8 et 9 et la pipe de remplissage 16 débouchent dans la préchambre 22 alors que la canalisation de retour 7 part de la chambre d'aspiration 23. Les deux chambres 22 et 23 sont reliées entre elles par un passage 24 qui est disposé en un point bas de la cloison 20, ainsi que par un passage de purge 25 qui est disposé en un point haut de cette cloison 20. Le passage 24 est de préférence muni d'un déflecteur 21.Le fonctionnement de la chambre de remplissage 11 est à peu près le même que celui du vase compensateur connu. Un tube de retour du liquide de refroidissement 13, traversant la cloison 12, relie un point bas de la chambre d'expansion 10 à un point haut de la préchambre 22 et il est de préférence muni d'un étrangleur ou orifice calibré 18. Avec les vases compensateurs connus, l'échangeur de chaleur 2 et la chemise de refroidissement du moteur 1 ne sont remplis qutimparfaitement, jusqu'à un niveau N4, car le niveau d'eau froide se situe au-dessous du bord supérieur N3 de la caisse à eau de l'échangeur de chaleur 2, compte tenu de la présence d'un volume d'expansion suffisant dans le vase compensateur 3. Etant donné qu'une chambre d'expansion 10 est isolée à l'intériear du vase compensateur 3 selon l'invention, la moitié droite (selon la figure 2) de ce vase 3, c'est-à-dire la chambre de remplissage 11, peut être remplie à l'aide de la pipe de remplissage 16 Jusqu'au limiteur de niveau 15. Sous I1 effet des variations de hauteur du niveau d'eau entre N4 et N1, on obtient un remplissage limité sans inclusion ni mélange d'air. Grâce au limiteur de niveau 15, la chambre de remplissage 11 ne reçoit pas de liquide de refroidissement en excès. Le volume résiduel entre les niveaux N1 et N2 sert de volume récepteur à l'intérieur des limites de la température de fonctionnement ; en d'autres termes, la chambre d'expansion 10 sert de volume de compression et établit une liaison avec l'atmosphère par l'intermédiaire du tube de retour du liquide de refroidissement 13 et de la soupape de strette 14. Grâce à la variation de hauteur du niveau d'eau qui vient d'entre décrite, on obtient un circuit de refroidissement atable, c'est-à-dire dégazé, en cas de pertes de liquide Jusqu'au niveau N4. Avec les vases compensateurs connus, au contraire, de l'air est aspiré prématurément vers la pompe 4 par l'intermédiaire de la canalisation d'aspiration 7, ce qui compromet le fonctionnement du circuit de refroidissement. Grâce à la construction conforme à l'invention, on évite également les pertes de liquide de refroidissement par éJection, ce qui présente des risques particuliers sur les véhicules à exporter vers les pays tropicaux. Par "pertes par éJection", on entend les pertes de liquide de refroidissement qui se produisent dans certaines conditions de fonctionnement, selon les conditions de charge, la température de l'air extérieur, la température de l'huile du moteur, la température de l'eau de refroidissement et le tarage de la soupape de strette du circuit de refroidissement. Le point d'ébullition du liquide de refroidissement, qui dépend de la pression peut etre dépassé sous 1t effet d'une surchauffe locale au voisinage des cylindres du moteur à combustion interne 1, lorsque celui-ci ou la pompe à eau 4 est à l'arr8t. Les variations de volume,provoquées par les changements de situation du groupe moteur, ont pour effet de refouler une quantité déterminée de liquide de refroidissement vers le vase compensateur 5, par l'intermédiaire des canalisations 8 et 9. Le volume total se trouve ainsi modifié à un point tel qu'un espace résiduel devient nécessaire. Ces difficultés pourraient certes être éliminées à l'aide de volumes d'expansion supplémentaires, mais au prix de l'installation de canalisations supplémentaires ainsi que d'une augmentation importante des frais et de l'encombrement. il risque toutefois d'apparattre des défauts d'étanchéité dans le système de canalisations car un bien plus grand nombre de canalisations devient nécessaire, de tels défauts d'étanchéité pouvant alors provoquer un mauvais fonctionnement du circuit de refroidissement. il est également possible d'augmenter la pression de tarage de la soupape de sûreté du circuit. Cette solution ne permet toutefois pas de se dispenser d'un volume d'expansion additionnel. De plus, l'augmentation de pression dynamique dans l'échangeur de chaleur eau/air et dans d'autres composants du circuit entratne un accroissement important des frais (échangeur de chaleur à renforcer, Joints d'étanchéité à rendre plus robustes, tuyaux souples de liaison à modifier). Grâce au fait que le vase d'expansion 3 est divisé selon l'invention en une chambre d'expansion 10 et en une chambre de remplissage 11, on évite ou atténue les susdites pertes de liquide de refroidissement, même dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables. Supposons par exemple que, dans des conditions de fonctionnement défavorables, il se produise une quantité de vapeur en expansion qui, par l'intermédiaire des canalisations de purge 8 et 9, chasse une certaine quantité de liquide de refroidissement, de la zone froide du circuit de refroidissement à la chambre de remplissage il du vase d'expansion 3 le liquide dans cette chambre Il commence alors par s'élever Jusqu'au niveau N2, puis déborde dans la chambre d'expansion 10 en passant par le tuyau de retour 13. Selon les conditions de fonctionnement, c'est-à-dire en fonction des besoins en volume, la chambre d'expansion 10 se remplit plus ou moins. La hauteur maximale de remplissage est atteinte au niveau N5. l'air ou, au cas où la vaporisation du liquide de refroidisse ment progresse, la vapeur s'échappe de la chambre par l'intermédiaire du tube de purge 17 et de la soupape de sûreté 14. Le débit du liquide ou de la vapeur qui déborde ainsi peut être limité par l'étranglement 18 que comporte de préférence le tube de retour 13, en vue de l'adaptation au volume de la chambre 10. il se produit un dégazage judicieux, compte tenu du volume d'expansion offert, tel que les pertes de liquide restent négligeables. Les bulles se condensent dans la zone exposée, lors des variations subséquentes des conditions de fonctionnement dans la période où le moteur 1 se réchauffe, par exemple lors du démarrage de celui-ci, lors de la mise en by-pass du circuit de refroidissement ou en cas de refroidissement retardé. La quantité de liquide de refroidissement qui résulte de cette condensation doit être compensée à bref délai, c'est-à-dire que l'accumulation de la quantité de liquide refoulée dans la chambre d'expansion 10 doit se trouver disponible aussi vite que possible, en tant que volume fonctionnel, dans le circuit de refroidissement ou dans la chambre de remplissage 11. La différence de pression qui est créée entre la pression atmosphérique et le circuit de refroidissement, par la condensation des vapeurs, a pour effet d'ouvrir la soupape travaillant à la dépression qui est intégrée à la soupape de sreté 14 et permet à du liquide de refroidissement de refluer de la chambre d'expansion 10 à la chambre de remplissage 11, en passant par le tube de retour 13. De façon connue, le liquide de refroidissement est transmis de la chambre Il à la chemise de refroidissement du moteur 1 par la canalisation d'aspiration 7, à l'aide de la pompe à eau 4. Les vases de compensation 3 conformes à l'invention peuvent avantageusement être fabriqués en grande série, en matière plastique. L' invention n' est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté mais en englobe toutes les modifications et variantes qui sont à la portée des spécialistes. REVENDICATIONS 1. Vase compensateur, pour liquide de refroidissement, qui, d'une part, est raccordé à son entrée par au moins deux canalisations de purge et à sa sortie par une canalisation de retour d'un courant parallèle à un circuit principal de liquide de refroidissement qui relie l'entrée de liquide de la chemise de refroidissement d'un moteur à combustion interne ainsi que la sortie de liquide de cette chemise à un échangeur de chaleur servant à dissiper la chaleur du liquide de refroidissement de façon telle que l'une des canalisations de purge communique en permanence avec la sortie de liquide de la chemise en agissant comme canalisation de purge lors de la marche du moteur, que l'autre canalisation de purge communique avec l'échangeur de chaleur et que la canalisation de retour communique en permanence avec l'entrée de liquide de la chemise et dans lequel, d'autre part, une cloison intérieure approximativement verticale sépare d'une préchambre où débouchent les canalisations de purge une chambre d'aspiration où débce la canalisation de retour, et comporte deux passages faisant communiquer entre elles la préchambre et la chambre d'aspiration, savoir un passage de liquide situé au fond du vase compensateur et destiné à faire passer directement, en totalité ou en majeure partie, le courant parallèle et un passage de purge situé au sommet du vase, caractérisé en ce que le vase compensateur (3) est divisé, par une cloison étanche (12), en une chambre d'expansion (10) et en une chambre de remplissage (11) qui est elle-meme subdivisée par la cloison intérieure approximativement verticale (20) en la préchambre (22) et en la chambre d'aspiration (23) et en ce qu'un tube de retour du liquide de refroidissement (13) relie la chambre d'expansion (10) à la préchambre (22) en un point haut de celle-ci. 2. Vase compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une soupape de sbreté (14), qui travaille à la surpression et qui est munie d'une soupape de sdreté intégrée travaillant à la dépression et d'un tube de purge (17), est disposée à la partie supérieure de la chambre d'expansion (10) et en ce qu'une pipe de remplissage (16), dont l'orifice est situé au-dessous du point le plus haut du tube de retour du liquide de refroidissement (13), est disposé dans la préchambre (22) et est agencée de façon que, lorsqu'elle est fermée, elle ne comporte aucune liaison avec l'atmosphère. 3. Vase compensateur selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un étranglement (18) est placé dans le tube de retour du liquide de refroidissement (13).