Brevet FR2822497A1 — publié le 20020927

L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'une paroi d'un matériau solide par circulation d'un gaz, par échange de chaleur entre la paroi et le courant de gaz, notamment destiné au refroidissement des moteurs thermiques, et un procédé de fabrication d'un bloc-cylindre destiné à un tel moteur. Bien que l'invention s'applique de façon générale au refroidissement de toutes sortes de parois, on la décrit dans son application à un moteur thermique, car celle-ci a une importance particulière. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette application. On connaît déjà des dispositifs de refroidissement de moteurs thermiques par circulation d'air. Dans un tel dispositif, comme le coefficient de transfert de chaleur des parois des cylindres vers l'air est faible, c'est-à-dire très inférieur à celui que donne un liquide, il est nécessaire que la surface d'échange de chaleur soit aussi grande possible. On a donc réalisé des ailettes qui augmentent considérablement la surface de transfert de chaleur des parois des cylindres. Pour que le transfert de chaleur soit meilleur, on fait circuler à force de l'air sur les surfaces des ailettes. Ainsi, on utilise des déflecteurs et des dispositifs de ventilation, par aspiration ou soufflage. Dans ces dispositifs de refroidissement, les ailettes sont réalisées spécialement de manière non seulement qu'elles donnent une grande surface d'échange de chaleur avec l'air de refroidissement, mais aussi qu'elles permettent une bonne circulation de la chaleur dans la masse des ailettes. Pour cette raison, les ailettes sont en général plus épaisses près de la paroi du cylindre et plus fines à distance de celle-ci. Bien qu'ils puissent être efficaces, les dispositifs de refroidissement à ailettes ont l'inconvénient d'être coûteux, car la réalisation des ailettes nécessite un moulage délicat, puis un traitement des surfaces obtenues par moulage et un usinage précis. L'invention concerne un dispositif de refroidissement de moteur thermique qui ne présente pas ces inconvénients. Dans ce dispositif, un échange de chaleur s'effectue entre un courant d'air et la surface de particules qui forment un lit placé au contact de la paroi des cylindres du moteur. Un tel lit de particules présente le double avantage de ne pas nécessiter un usinage précis, et de présenter une très grande surface de transfert de chaleur. En outre, par sélection convenable du matériau des particules et de leur contact avec la paroi des cylindres, il est possible d'obtenir un bon transfert de chaleur de la paroi des cylindres au matériau des particules. Ainsi, le transfert de chaleur entre le courant de gaz et la paroi est effectué sur une très grande surface d'échange de chaleur, grâce à la disposition d'une multitude de particules de petites dimensions. Cette grande surface de contact avec le courant de gaz est obtenue par utilisation d'un matériau très divisé formé d'un lit de particules de petites dimensions. En outre, le transfert de chaleur entre la paroi des cylindres et le matériau très divisé du lit de particules est assuré par un contact étendu entre la paroi des cylindres et les particules. Ces particules forment un lit dans lequel les surfaces de contact entre les particules permettent la formation de trajets allongés pour le passage de la chaleur de la paroi vers des particules éloignées. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de refroidissement d'une paroi d'un matériau solide par circulation d'un gaz, par échange de chaleur entre la paroi et le courant de gaz ; ce dispositif comprend un matériau particulaire qui occupe un volume adjacent à la paroi, qui a une conductibilité thermique élevée, qui est en bon contact thermique avec la paroi, et qui délimite une surface étendue de contact avec le courant de gaz, et un dispositif destiné à faire circuler le gaz dans le matériau particulaire. De préférence, le matériau particulaire forme un lit de particules au contact de la paroi. Les particules sont avantageusement sous forme de billes, et sont constituées d'un matériau bon conducteur de la chaleur. Le matériau bon conducteur de la chaleur est de préférence choisi parmi les métaux et les céramiques. Par exemple, ce matériau est formé de billes de zircone obtenues par électrofusion. Lorsque le matériau bon conducteur de la chaleur est sous forme de billes, celles-ci ont de préférence un diamètre compris entre 0,01 et 3 mm, avantageusement entre 0,3 et 1,2 mm. Dans un mode de réalisation avantageux, le matériau particulaire est retenu sous forme d'un lit statique par des grilles qui permettent le passage du courant de gaz de refroidissement. Dans un mode de réalisation, le dispositif de refroidissement comporte au moins une grille placée du côté d'arrivée ou de départ du courant de gaz, la grille ayant des orifices suffisamment petits pour ne pas laisser passer le matériau particulaire, mais suffisamment grands pour laisser passer le courant de gaz avec une perte de charge limitée. De préférence, le dispositif destiné à faire circuler le gaz est un dispositif d'aspiration, notamment à turbine ou à venturi, ou un dispositif de soufflage, notamment un ventilateur, ou à la fois un dispositif d'aspiration et un dispositif de soufflage. La circulation du courant de gaz peut s'effectuer en direction descendante, ascendante ou quelconque, par exemple horizontale. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la paroi solide est une paroi de bloc-cylindre (14) de moteur thermique, une paroi de pot d'échappement catalytique, ou une paroi de tubulure d'échappement de moteur à combustion interne. Dans ce cas, la circulation du courant de gaz peut être assurée par un dispositif entraîné par le moteur thermique lui-même, ou par ses gaz d'échappement. Il est alors avantageux que le dispositif de refroidissement comporte un dispositif de récupération du courant de gaz chaud, permettant par exemple le chauffage du compartiment des passagers d'un véhicule équipé du moteur thermique. Dans un autre mode de réalisation, la paroi est une paroi d'un moule de fonderie. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un bloc-cylindre qui comprend la coulée de métal fondu dans un moule comprenant des noyaux, le bloc-cylindre étant destiné à un moteur muni d'un dispositif de refroidissement selon l'invention, et dans lequel certains noyaux au moins sont constitués par des particules agglomérées qui sont ainsi intégrées dès la fabrication au moteur à refroidir, et ils sont destinés à rester en place dans le bloc-cylindre. Dans des modes d'exécution différents, les particules sont agglomérées soit par un liant soluble, soit par frittage à chaud. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de mise en oeuvre de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un moteur à combustion interne muni d'un dispositif de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une coupe par un plan transversal vertical du moteur de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe par un plan horizontal du moteur de la figure 1 ; la figure 4 est une coupe analogue à la figure 2 d'une variante du moteur de la figure 1 ; la figure 5 est une coupe analogue à la figure 2 d'une autre variante du moteur de la figure 1 ; la figure 6 est une coupe analogue à la figure 3 de la variante de moteur de la figure 5 ; et la figure 7 est une coupe par un plan longitudinal vertical de la variante de moteur des figures 5 et 6. Les figures 1 à 3 représentent un moteur à combustion interne muni d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le moteur thermique 10 possède un vilebrequin 12 qui tourne dans un carter placé sous un bloc-cylindre 14 sous la commande de pistons 16. Le bloc-cylindre et la culasse sont pratiquement entourés d'un carénage 18 qui délimite le dispositif de refroidissement selon l'invention. Comme l'indique la coupe de la figure 2, ce carénage 18 délimite un volume qui contient un lit statique 20 de particules, par exemple de billes de zircone électrofondue de 0,5 mm de diamètre. Des grilles 22 délimitent ce volume aux parties supérieure et inférieure de celui-ci, de chaque côté du moteur. La grille inférieure 22 de chaque côté du moteur forme une paroi d'un canal 24 d'aspiration d'air disposé sur toute la longueur du moteur. Comme l'indique la figure 3, les canaux 24 des deux côtés du moteur rejoignent un ventilateur aspirant 26 entraîné en rotation par un moteur électrique 28. Les flèches des figures 1 à 3 indiquent la circulation de l'air dans le moteur. L'air aspiré par les grilles supérieures 22 s'écoule dans le lit 20 au contact de la surface étendue des billes (plusieurs dizaines de mètres carrés). Comme les billes sont en contact étendu avec la paroi du bloc-cylindre juste en face des cylindres, la chaleur de la paroi est transmise par la matière solide des billes à distance de la paroi, si bien que les billes distantes de la paroi s'échauffent et peuvent transférer de la chaleur au courant d'air circulant à leur surface. L'air chaud passe dans les canaux 24 et il est aspiré par le ventilateur 26 qui l'évacue à l'extérieur ou le transmet à un dispositif de récupération de chaleur, par exemple pour le chauffage de la cabine d'un camion équipé de ce moteur. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, l'air circule dans le lit statique en direction descendante. En conséquence, la position des billes est stabilisée et le régime de circulation de l'air est toujours stable. Dans la variante de la figure 4, la seule différence avec le mode de réalisation des figures 1 à 3 est que l'air circule dans le lit statique en direction ascendante. Il a donc tendance à entraîner les billes vers le haut. Pour que le régime de circulation de l'air soit toujours stable, il est donc nécessaire que les billes soient bien tassées derrière les grilles supérieures afin qu'elles ne se déplacent pas, car elles pourraient créer du bruit et provoquer une usure. Les figures 5 à 7 représentent un moteur à combustion interne muni du dispositif de refroidissement selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, d'une part l'air circule dans le lit statique 20 de particules en étant à la fois soufflé et aspiré, et d'autre part les particules sont retenues par des grilles telles que la circulation du gaz est renforcée à proximité de la paroi des cylindres, et l'uniformité de refroidissement est accrue. Ces deux caractéristiques peuvent être utilisées ensemble ou séparément. Plus précisément, comme dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, l'air aspiré par le ventilateur 26 s'est écoulé dans les canaux 24 après avoir traversé le lit statique 20. Cependant, dans ce mode de réalisation, l'air n'est pas simplement aspiré dans l'atmosphère, mais il est soufflé par un ventilateur 30 dans des canaux 32 qui communiquent avec la partie supérieure du lit au niveau de la grille supérieure 22. Dans le mode de réalisation des figures 5 à 7, l'air circule dans le lit statique 20 en étant à la fois soufflé et aspiré. Il est alors possible d'obtenir de meilleures performances de refroidissement, et ce mode de réalisation convient aux moteurs qui risquent particulièrement de chauffer, par exemple aux moteurs des véhicules de compétition. En outre, comme les grilles 22 sont disposées dans toute la section de l'espace contenant les particules, l'air circule uniformément dans toute la section, même près de la paroi des cylindres, et non à distance comme dans les modes de réalisation des figures 2 et 4. Le refroidissement est alors meilleur près des parois, aussi bien en direction transversale que longitudinale sur la vue en plan de la figure 6, c'est-à-dire que l'uniformité du refroidissement est meilleure tout autour de la paroi d'un cylindre. En outre, l'uniformité de refroidissement entre les cylindres est meilleure, puisque le refroidissement est plus proche de la paroi. Le bloc-cylindre est alors moins soumis à des gradients thermiques en direction longitudinale. Bien qu'il soit possible de modifier des moteurs prévus pour un refroidissement par circulation d'eau afin qu'ils comportent le dispositif selon l'invention, il est préférable de réaliser directement les moteurs pour un refroidissement par air selon l'invention. On décrit maintenant un exemple de réalisation de bloc-cylindre comprenant un dispositif de refroidissement selon l'invention. Les bloc-cylindre des moteurs à combustion interne sont réalisés par une opération de moulage sous pression dans un moule comportant des noyaux. Dans le procédé selon l'invention, les noyaux destinés à former les cavités qui doivent contenir le lit statique de billes sont avantageusement constitués de particules agglomérées, notamment de billes. Lorsque les particules sont agglomérées par un liant soluble, une opération de dissolution du liant est effectuée après moulage. Lorsque les particules sont agglomérées par frittage à chaud, aucune opération spécifique n'est nécessaire. Dans ce dernier cas, il est particulièrement avantageux que les billes destinées à former le lit statique soient constituées d'un métal, et que les noyaux soient mis en forme par moulage sous pression. Ainsi, les billes ont des surfaces étendues de contact mutuel qui facilitent la conduction de chaleur dans le lit statique, des parties proches des cylindres aux parties éloignées de ceux-ci. En outre, le métal fondu moulé pour constituer le bloccylindre se conforme à la surface de noyau formée de billes agglomérées et donne une surface étendue de contact entre la paroi du bloc-cylindre et le lit statique. L'amplitude de ce phénomène peut être modifiée à volonté par variation de la pression exercée sur les billes lors de la fabrication des noyaux. Lorsque les billes sont suffisamment agglomérées pour former un corps solide cohérent, il n'est plus nécessaire d'utiliser les grilles 22. De même, le sens de circulation peut être indifféremment ascendant ou descendant. La nature et la dimension granulaire du matériau particulaire dépendent de l'application particulière envisagée. Les principaux paramètres considérés sont la conductibilité thermique et le coefficient de transfert de chaleur par convexion du matériau particulaire, la forme, la dimension et la distribution granulométrique du matériau particulaire, et la section et la longueur des volumes que doit occuper le matériau particulaire. Les possibilités d'agglomération ne sont avantageuses que dans certaines applications. Les grilles utilisées pour retenir le matériau particulaire, lorsqu'elles sont présentes, peuvent être de type quelconque, du moment qu'elles ont des orifices suffisamment petits pour ne pas laisser passer le matériau particulaire, mais suffisamment grands pour laisser passer le courant de gaz avec une perte de charge limitée. Elles doivent en outre avoir une bonne durabilité dans leurs conditions d'utilisation (température, possibilité de fixation). Le dispositif destiné à faire circuler le gaz peut être de types très différents. Lorsqu'il constitue un dispositif d'aspiration, il peut être constitué d'un ventilateur, par exemple de type centrifuge à turbine. Il peut aussi être constitué d'un dispositif à venturi. Par exemple, un venturi dans lequel passent les gaz d'échappement peut aspirer l'air dans le dispositif de refroidissement. Lorsque le dispositif destiné à faire circuler le gaz constitue un dispositif de soufflage, il peut être constitué d'un ventilateur, par exemple de type centrifuge à turbine. Comme indiqué précédemment, il peut aussi comprendre à la fois un dispositif d'aspiration et un dispositif de soufflage. Bien qu'on ait indiqué, dans les exemples considérés, que le ventilateur 26 était entraîné par un moteur électrique 28, il est évidemment possible, dans le cas d'un véhicule automobile, d'entraîner le ventilateur par le moteur thermique lui-même, avec une transmission de rapport convenable fixe ou variable. En outre, le fonctionnement du ventilateur ou autre dispositif de circulation peut être éventuellement piloté par ordinateur ou un autre dispositif de commande permettant la mise en température rapide du moteur en cas de démarrage à froid. Dans les exemples décrits, on a considéré que le gaz utilisé était l'air. Il peut cependant arriver qu'il faille refroidir une paroi d'un matériau solide par circulation d'un gaz inerte, par exemple en cas de risque d'explosion. Le dispositif de refroidissement muni à la fois d'un dispositif d'aspiration et d'un dispositif de soufflage peut alors être particulièrement avantageux, car il peut fonctionner en circuit fermé avec un gaz inerte coûteux, par interposition d'un échangeur de chaleur extérieur convenable. Le dispositif de refroidissement selon l'invention possède de nombreux avantages. Le principal est dû à la nature statique et solide du lit qui ne risque pas de présenter des fuites, et dont l'encombrement est réduit. Dans l'application particulière aux moteurs thermiques des véhicules automobiles, il existe d'autres avantages particuliers. D'abord, aucun circuit de circulation de liquide n'est présent, et il n'existe donc pas de fuites. Il n'existe aucun risque de gel, et l'utilisation d'antigel est superflue. Aucun radiateur n'est nécessaire, si bien que l'espace occupé est réduit. Il est alors possible de réduire le volume du compartiment moteur, et d'obtenir d'une part une meilleure habitabilité dans le véhicule, et d'autre part un meilleur aérodynamisme. En outre, le circuit de chauffage du compartiment des passagers peut aussi être supprimé lorsque l'air chaud est récupéré pour le chauffage. Enfin, la paroi du bloc-cylindre ne risque pas de présenter un entartrage qui pourrait réduire l'efficacité du refroidissement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'une paroi solide par circulation d'un gaz, par échange de chaleur entre la paroi et le courant de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau particulaire (20) occupant un volume adjacent à la paroi, le matériau particulaire (20) ayant une conductibilité thermique élevée, étant en bon contact thermique avec la paroi, et délimitant une surface étendue de contact avec le courant de gaz, et un dispositif (26,30) destiné à faire circuler le gaz dans le matériau particulaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau particulaire (20) forme un lit statique de particules au contact de la paroi. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les particules sont sous forme de billes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau particulaire (20) ayant une conductibilité thermique élevée est choisi parmi les métaux et les céramiques. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau particulaire (20) ayant une conductibilité thermique élevée est formé de billes qui ont un diamètre compris entre 0,01 et 3 mm. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une grille (22) placée du côté d'arrivée ou de départ du courant de gaz, la grille (22) ayant des orifices suffisamment petits pour ne pas laisser passer le matériau particulaire, mais suffisamment grands pour laisser passer le courant de gaz avec une perte de charge limitée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (26,30) destiné à faire circuler le gaz est au moins un dispositif choisi parmi un dispositif d'aspiration et un dispositif de soufflage. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi solide est choisie parmi une paroi de bloc-cylindre (14) de moteur thermique, une paroi de pot d'échappement catalytique, et une paroi de tubulure d'échappement de moteur à combustion interne. 9. Procédé de fabrication d'un bloc-cylindre qui comprend la coulée de métal fondu dans un moule comprenant des noyaux, le bloc-cylindre (14) étant destiné à un moteur muni d'un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est constitué par des particules agglomérées et constitue un noyau destiné à rester en place dans le bloc-cylindre. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules sont agglomérées par frittage à chaud.