Brevet FR2805322A1 — publié le 20010824

REFROIDISSEMENT DE COMPOSANTS DE FREIN PAR CHANGEMENT DE PHASE La présente invention se rapporte à des composants de frein, et plus spécifi- quement à un dispositif et un procédé de refroidissement de composants de frein. On demande aux véhicules modernes de s'arrêter sur des distances plus courtes que celles qui étaient nécessaires auparavant, afin d'améliorer les performances et la facilité de conduite du véhicule. Des composants de frein tels que des rotors et des tambours de frein, des étriers et des garnitures de frein se trouvent confrontés à des températures de fonctionnement plus élevées face à une demande accrue de distances d'arrêt plus courtes. Lorsque la température du composant de frein dépasse la capa- cité thermique de ce composant, la performance du composant peut être compromise et la distance d'arrêt augmentée. Par exemple, le taux d'usure peut augmenter ou bien les freins peuvent "s'évanouir" et devenir virtuellement inefficaces par suite de la température plus élevée. Le problème des températures plus élevées est exacerbé par l'emboîtage très serré des éléments des véhicules modernes. La taille des composants de frein a été réduite pour diminuer leur poids et leur coût, ce qui a réduit la capacité thermique du composant des freins affecté. Des composants de frein tels que les rotors ou les disques ont utilisé des nervures ou des lumières pour augmenter la zone surfacique afin d'augmenter la dissipation thermique et le refroidissement du rotor. Cependant, l'emboîtage plus serré a affecté négativement l'écoulement de l'air à travers les composants de frein, ce qui a réduit les effets de refroidissement de la convection autour des composants de frein. Il en résulte que les nervures sur un rotor sont moins efficaces pour dissiper la chaleur. En conséquence, le besoin s'est exprimé d'un dispositif et d'un procédé pour refroidir efficacement les composants de frein moder- nes de plus petite taille dans les espaces plus étroits que l'on trouve dans les véhicu- les modernes. La présente invention propose un dispositif de refroidissement pour un compo- sant de frein présentant une température de fonctionnement maximale, ledit dispositif comprenant: - un élément structurel défini par une surface extérieure et une surface inté- rieure espacée de ladite surface extérieure et définissant une cavité, ledit élément structurel produisant de la chaleur; et - une matière disposée dans ladite cavité présentant une température de changement de phase à une pression et à un volume donnés, ladite matière absorbant ladite chaleur en passant d'un premier état à un deuxième état à 2 2805322 ladite température de changement de phase pour maintenir ledit élément structurel à une température inférieure à ladite température maximale de fonctionnement. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit élément structurel est un rotor ou disque de frein. Cet élément structurel peut comporter des première et deuxième parties fixées l'une à l'autre pour fermer de façon étanche ladite cavité et retenir ladite matière à l'intérieur. La température de changement de phase peut être définie par un point de fusion de la matière, dans lequel le premier état est solide et le deuxième état est liquide, ou par un point d'évaporation de la matière, dans lequel le premier état est liquide et le deuxième état est gazeux. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ladite matière est déversée dans ladite cavité lorsqu'elle se trouve dans ledit état liquide, pour former ledit dispositif de refroidissement. Ladite matière peut comporter de l'étain, du zinc, de l'aluminium, et le cas échéant, un sel. L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un composant de frein présentant une température de fonctionnement maximale, qui comprend les étapes consistant: (a) à prévoir un élément structurel présentant une cavité avec une matière disposée dans la cavité; (b) à produire de la chaleur à partir de l'élément structurel; (c) à faire absorber la chaleur de l'élément structurel par la matière; et (d) à modifier les états physiques de la matière d'un premier état à un deuxième état pour faire absorber plus de chaleur et pour maintenir le composant de frein à une température inférieure à la température maxi- male de fonctionnement. L'étape (d) peut comporter la fusion de la matière. L'étape (d) peut comporter l'évaporation de la matière. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de refroidissement pour un composant de frein qui comprend les étapes consistant: (a) à prévoir les première et deuxième parties d'un élément structurel du composant de frein, les première et deuxième parties formant une cavité; (b) à déterminer une température de fonctionnement maximale pour le composant de frein; (c) à sélectionner une matière présentant une température de changement de phase inférieure à la température de fonctionnement maximale; (d) à insérer la matière dans la cavité; et (e) à fermer de façon étanche la cavité pour retenir le matériau à l'intérieur. Selon le procédé, l'élément structurel peut être un rotor de frein. L'étape (e) peut comporter la fixation des première et deuxième parties ensemble. La tempéra- 3 2805322 ture de changement de phase est définie par un point de fusion de la matière, un premier état étant solide et un deuxième état étant liquide. L'étape (d) peut comporter les étapes consistant (dl) à déverser la matière dans la cavité alors qu'elle est dans le deuxième état; et (d2) à permettre à la matière de se refroidir jusqu'au premier état. La présente invention propose ainsi un procédé et un dispositif pour refroidir efficacement des composants de frein modernes de plus petites tailles qui sont logés dans les espaces plus étroits que l'on trouve dans les véhicules modernes. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaiî- tront à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en perspective d'un rotor de frein selon la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du rotor de frein de la figure 1, prise le long de la ligne 2-2; et - la figure 3 est un graphique illustrant la température en fonction du temps d'un rotor ou disque de frein selon la présente invention, comparé à un rotor de frein de l'art antérieur. Un dispositif de refroidissement 10 pour un composant de frein 12 est repré- senté sur les figures 1 et 2. Le composant de frein 12 représenté est un rotor ou disque de frein, cependant, on doit comprendre que le composant de frein peut être un tambour de frein, un étrier, des garnitures de frein ou un composant quelconque soumis à des températures de fonctionnement élevées qui limitent ou empêchent la performance du composant. La présente invention est également applicable à des composants tels que des disques de frein humides, qui peuvent permettre d'éliminer l'huile de refroidissement qui était utilisé précédemment. Le composant 12 présente une température de fonctionnement maximale, au-dessus de laquelle ses performan- ces se dégradent jusqu'à un niveau inacceptable. Le composant de frein 12 comporte un élément structurel 14 défini par une surface extérieure 16 et une surface intérieure 18 espacée de la surface extérieure 16. Dans le mode de réalisation décrit sur les figures, l'élément structurel 14 constitue le corps du rotor de frein. Cependant, pour une garniture de frein incorporant la présente invention, l'élément structurel 14 peut être la plaque d'appui à laquelle les garnitures de friction sont fixées. La surface intérieure 18 définit une cavité 20. Pendant l'utilisation du compo- sant de frein 12, l'élément structurel 14 produit de la chaleur. Une matière ou un matériau de refroidissement 22 est disposé(e) dans la cavité 20 pour absorber de la chaleur. L'élément structurel 14 comporte des première 26 et deuxième 28 parties fixées l'une à l'autre pour former la cavité 20 et fermer de façon étanche la cavité 20 afin de retenir la matière 22. Ceci peut être réalisé en utilisant deux moitiés séparées, 4 2805322 comme représenté sur la figure 2, qui sont fixées par un élément de fixation ou de toute autre manière appropriée. En variante la cavité 20 peut être formée par usinage ou par moulage de la cavité 20 dans l'élément structurel 14 et insertion d'un bouchon ou similaire, pour fermer de façon étanche la cavité 20 et retenir la matière 22 à l'intérieur. La matière 22 présente une température de changement de phase pour une pression et un volume particuliers. La matière 22 absorbe la chaleur générée par l'élément structurel 14 en passant d'un premier état à un deuxième état à la tempé- rature de changement de phase afin de maintenir le composant de frein 12 ou l'élément structurel 14 à une température inférieure à la température de fonctionne- ment maximale. La température de changement de phase peut être définie par un point de fusion de la matière 22 dans lequel le premier état est solide et le deuxième état est liquide, ou par un point d'évaporation de la matière 22, dans lequel le premier état est liquide et le deuxième état est gazeux. En se référant à la figure 3, la température d'un rotor de frein en fonction du temps est décrite pour la présente invention, indiquée par la courbe X et sans la présente invention, comme indiqué par la courbe Y. La matière 22 sélectionnée présente une température de changement de phase d'approximativement 1000 K. Lorsque la température de la matière 22 atteint 1000 K, à partir de la chaleur géné- rée par l'élément structurel 14, la matière 22 change d'état physique pour passer d'un premier état à un deuxième état. Pendant le changement d'état physique, qui est un processus endothermique, la matière 22 absorbe plus de chaleur que dans le premier état. La température du rotor, ou de l'élément structurel 14, correspond aux proprié- tés de changement de phase de la matière 22. Comme représenté à la figure 3, la matière 22 est dans le premier état pendant les premières 40 secondes. De 40 secondes à 120 secondes, la matière 22 absorbe l'énergie sous forme de chaleur à partir de l'élément structurel 14 pour passer du premier état au deuxième état. Après secondes, la matière 22 subit la transition du premier état au deuxième état. Dès que la température de la matière 22 est descendue en dessous de la température de changement de phase, la matière 22 va retourner au premier état. La chaleur est dissipée dans l'environnement voisin entre les freinages par refroidissement classi- que lorsque la matière 22 retourne au premier état. Les exigences d'un composant de frein 12 particulier sont fonction du type de composant et de l'application ou des exigences de performance. La température maximale de fonctionnement pour le composant de frein 12 doit être déterminée. On doit choisir de préférence une matière 22 qui présente une température de change- ment de phase inférieure à la température de fonctionnement maximale du compo- sant de frein 12 ou de l'élément structurel 14. Les matériaux appropriés peuvent 2805322 comporter de l'étain, du zinc, de l'aluminium, ou leurs alliages. Un autre matériau approprié peut comporter une substance sous forme de sel. On peut utiliser virtuel- lement un matériau quelconque qui présente la température de changement de phase souhaitée pour l'application particulière. Si le premier état de la matière 22 est solide, la matière 22 peut être insérée dans la cavité 20 en la déversant à l'état fondu dans la cavité 20 et en la laissant se solidifier. En variante, la matière 22 peut être insérée dans la cavité 20 sous forme de poudre, ou sous toute autre forme appropriée. La cavité 20 est de préférence fermée de façon étanche pour empêcher la matière 22 de s'échapper de l'élément structurel 14 après qu'elle s'est modifiée vers le deuxième état. L'invention a été décrite à titre d'illustration et on doit comprendre que la terminologie utilisée s'applique à la nature des termes de la description et ne consti- tue en aucune façon une limitation. Bien entendu, de nombreuses modifications et variations de la présente invention sont possibles à la lumière des enseignements ci- l5 dessus. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais la portée de l'invention s'étend à toutes les variantes aisément accessibles à l'homme de l'art. 6 2805322 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de refroidissement pour un composant de frein présentant une température maximale de fonctionnement, ledit dispositif comprenant: un élément structurel (14) défini par une surface extérieur (16) et une surface intérieure (18) espacée de ladite surface extérieure et définissant une cavité (20), ledit élément structurel (14) produisant de la chaleur; et - une matière (22) disposée dans ladite cavité (20) et présentant une tempé- rature de changement de phase pour une pression et un volume donnés, ladite matière absorbant ladite chaleur en passant d'un premier état à un deuxième état à ladite température de changement de phase, pour mainte- nir ledit élément structurel à une température inférieure à ladite tempéra- ture maximale de fonctionnement. 2. - Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel ledit élément structurel (14) est un rotor de frein. 3.- Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit élément structurel (14) comporte des première et deuxième parties (26, 28) fixées l'une à l'autre pour fermer de façon étanche ladite cavité (20) et retenir ladite matière à l'intérieur. 4.- Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite température de changement de phase est définie par un point de fusion de ladite matière (22), ledit premier état étant solide et ledit deuxième état étant liquide. 5.- Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, dans lequel ladite matière (22) est déversée dans ladite cavité lorsqu'elle se trouve dans ledit état liquide afin de former ledit dispositif de refroidissement. 6.- Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à , dans lequel ladite matière (22) comporte de l'étain. 7.- Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ladite matière (22) comporte du zinc. 8.- Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel ladite matière (22) comporte de l'aluminium. 7 2805322 9.- Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ladite matière comporte un sel. 10.- Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 à 3, dans lequel ladite température de changement de phase est définie par un point d'évaporation de ladite matière, ledit premier état étant liquide et ledit deuxième état étant gazeux. 11.- Procédé de refroidissement d'un composant de frein présentant une tempé- rature de fonctionnement maximale, le procédé comprenant les étapes consistant: (a) à prévoir un élément structurel présentant une cavité dans laquelle est disposée une matière; (b) à produire de la chaleur à partir de l'élément structurel; (c) à faire absorber la chaleur de l'élément structurel par la matière; et (d) à modifier les états physiques de la matière d'un premier état à un deuxième état pour faire absorber plus de chaleur et maintenir le compo- sant de frein à une température inférieure à la température maximale de fonctionnement. 12.- Dispositif selon la revendication 11, dans lequel l'étape (d) comporte la fusion de la matière. 13.- Dispositif selon la revendication 11 ou 12, dans lequel l'étape (d) comporte l'évaporation de la matière. 14.- Procédé de fabrication du dispositif de refroidissement pour un composant de frein, le procédé comprenant les étapes consistant: (a) à prévoir les première et deuxième parties d'un élément structurel du composant de frein, les première et deuxième parties formant une cavité; (b) à déterminer une température de fonctionnement maximale pour le composant de frein; (c) à sélectionner une matière présentant une température de changement de phase inférieure à la température de fonctionnement maximale; (d) à insérer la matière dans la cavité; et (e) à fermer de façon étanche la cavité pour retenir le matériau à l'intérieur. 15.- Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'élément structurel est un rotor de frein. 16.- Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel l'étape (e) comporte la fixation des première et deuxième parties ensemble. 8 2805322 17.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel la température de changement de phase est définie par un point de fusion de la matière, un premier état étant solide et un deuxième état étant liquide. 18.- Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'étape (d) comprend les étapes consistant: (dl) à déverser la matière dans la cavité lorsque la matière se trouve dans le deuxième état; et (d2) à permettre à la matière de se refroidir jusqu'au premier état.