Brevet FR2962169A1 — publié le 20120106

Piston comprenant un caloduc et moteur comprenant un tel piston Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au refroidissement des pistons et plus particulièrement à un piston comprenant un caloduc. Arrière-plan technologique Il est connu que pour répondre à la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre, sans réduire la puissance des moteurs de rendre ces moteurs plus compacts afin d'en réduire la consommation en carburant. On augmente ainsi leur puissance spécifique. Toutefois, l'augmentation de la puissance spécifique des moteurs s'accompagne pour les pistons d'une forte augmentation des contraintes en termes de pression et de flux thermique. Il est connu à l'exemple du document FR2912188, pour refroidir le piston d'aménager une cavité de refroidissement à l'intérieur de la partie supérieure du piston, ladite cavité comportant au moins deux ouvertures débouchant à la surface du piston coté bielle afin de permettre au fluide de lubrification, qui fait office de fluide caloporteur, d'entrer dans la cavité et d'en sortir. Cependant une telle solution est insuffisante pour évacuer correctement les flux thermiques vus par le piston dans le cas de moteurs à haute puissance spécifique. Il est aussi connu du document US7603977 un piston pour moteur à combustion interne comprenant une cavité de refroidissement aménagée à la circonférence du piston, au niveau des gorges prévues pour recevoir la segmentation, ainsi que des caloducs. De conception connue, un caloduc se présente sous la forme d'une enceinte hermétique qui renferme un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide. À un bout du caloduc, celui près d'une source chaude à refroidir, le liquide chauffe et se vaporise en emmagasinant de l'énergie provenant de la chaleur émise par cet élément. Ce gaz se diffuse alors dans le caloduc jusqu'à une source froide située à l'autre bout du caloduc où le gaz sera refroidi, jusqu'à ce qu'il se condense pour redevenir à nouveau un liquide, et céder de l'énergie à la source froide. Le liquide retourne ensuite vers l'évaporateur par gravité ou capillarité. Dans le document US7603977, chacun des caloducs est disposé de sorte que leur coté évaporateur est orienté vers la surface du piston exposée dans la chambre de combustion et placé dans un trou réalisé dans la cavité de refroidissement, tandis que le coté condenseur est placé dans la cavité de refroidissement. Cependant le fonctionnement des caloducs est perturbé par les mouvements alternatifs du piston, qui impriment des secousses à la phase liquide et la phase gazeuse et perturbent l'évacuation correcte du flux thermique reçu par la surface du piston exposée dans la chambre de combustion vers la cavité de refroidissement. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un piston en alliage métallique destiné à se déplacer alternativement dans un premier sens puis un second sens parallèlement à un axe central du piston, ledit piston comprenant au moins un caloduc comportant une enceinte hermétique renfermant un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide, caractérisé en ce que l'enceinte hermétique forme une boucle fermée de circulation du fluide présentant une partie condenseur, un conduit d'amenée de la phase liquide vers une partie évaporateur, un conduit de retour de la phase vapeur vers la partie condenseur et en ce que le caloduc comporte un clapet anti-retour disposé dans le conduit d'amenée et propre à laisser passer la phase liquide selon le premier sens et à interdire le passage de la phase liquide selon le second sens. Ainsi la circulation des phases vapeur et liquide dans l'enceinte en forme de boucle n'est pas perturbée par les mouvements alternatifs du piston, ce qui améliore le transfert de chaleur entre les parties évaporateur et condenseur du caloduc. De préférence, le clapet anti-retour est adapté pour d'une part s'ouvrir par inertie au cours du déplacement du piston dans le premier sens afin d'autoriser le passage au travers du clapet d'une fraction de la phase liquide vers la partie évaporateur et pour d'autre part interdire le passage de la phase liquide vers la partie condenseur au cours du déplacement du piston dans le second sens. En effet, l'usage astucieux du jeu des inerties mise en jeu lors des mouvements alternatifs du piston, permet l'actionnement automatique du clapet anti retour. Dans une variante le conduit de retour comprend une restriction de section de passage, afin de permettre le passage de la phase vapeur vers la partie condenseur et d'empêcher que de la phase liquide retourne dans le conduit de retour. Pour des raisons de simplicité de réalisation, de préférence, la restriction est obtenue par un étranglement du conduit de retour.35 Pour des raisons de fiabilité et de coût, de préférence, le clapet anti-retour est du type à bille avec ressort de rappel. La bille est ici l'élément qui par son inertie se déplace et assure l'ouverture et la fermeture du clapet selon le mouvement du piston. Le ressort de rappel contribue aussi à l'étanchéité du clapet en mode fermé. De préférence, le piston comprenant une surface frontale, la partie évaporateur s'étend à proximité de ladite surface frontale, quand la source chaude est du coté de la surface frontale. 10 De préférence, le piston comprenant une jupe, la partie condenseur s'étend à proximité de ladite jupe, afin de permettre une meilleure évacuation de la chaleur. De préférence, le piston comprenant un passage d'un axe de liaison, le au moins un caloduc est disposé dans le piston d'un coté ou de l'autre dudit passage. De préférence, la partie évaporateur s'étend en arc de cercle autour de l'axe central. Dans une variante, le conduit d'amenée et le conduit de retour sont disposés côte à côte, en contact, afin d'obtenir un caloduc compact. Dans une autre variante, le conduit d'amenée et le conduit de retour sont raccordés à au moins une de leur extrémité par un capuchon de fermeture, ce qui permet une fabrication plus aisée. 25 De préférence, le piston comporte au moins un caloduc inséré à la coulée de l'alliage métallique lors du moulage dudit piston. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston de l'invention. 30 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux 35 figures dans lesquelles : 15 20 - La figure 1 est une représentation schématique d'un piston comprenant un caloduc selon un premier mode de réalisation. - La figure 2 est une représentation schématique d'un caloduc selon un second mode de réalisation. - La figure 3 est une représentation schématique d'un caloduc selon un autre mode de réalisation - La figure 4 est présente en vue de dessus un piston comprenant plusieurs caloducs disposés en cercle. - La figure 5 présente une vue de dessus d'un piston 3 comprenant deux caloducs disposés dans ledit piston chacun d'un coté du passage de l'axe de liaison du piston. - La figure 6 présente une vue de coté du piston présenté en vue de dessus à la figure 5. Description détaillée La figure 1 présente une coupe partielle d'un moteur à combustion interne 1 à injection directe, en particulier de type Diesel. Le moteur 1 comprend au moins une chambre de combustion 2 délimitée par un piston 3, une culasse 4, et un cylindre 5. Le piston 3 et le cylindre 5 ont un axe central Z. Par ailleurs, le moteur 1 comprend un injecteur 16 implanté dans la culasse 4. Le piston 3 comprend de plus une surface frontale S amenée à être en contact avec les gaz de combustion et un bord externe 6 cylindrique. La surface frontale S comprend une couronne supérieure 7 qui peut être plane, une cavité interne ou bol 8. Le bol 8 peut être centré par rapport à l'axe central Z. Le bol 8 peut aussi comprendre un bossage central 9 formant une élévation dans le bol 8. En outre, le piston 3 comprend un passage 10 cylindrique destiné à ce recevoir un axe de liaison d'une bielle, non représentée, avec le piston 3. Le piston 3 est muni par ailleurs d'au moins une gorge 11 annulaire destiné à recevoir un segment. La figure 1 présente une segmentation classique de moteur à combustion interne ayant pour fonction d'assurer l'étanchéité du piston 3 dans le cylindre 5. La segmentation est composée d'un segment coupe-feu 12, le plus proche de la chambre de combustion, puis un segment d'étanchéité 13 et un segment racleur 14.35 Le piston 3 comprend aussi une jupe 15 assurant le guidage du piston 3 dans le cylindre 5. Le piston 3 est de préférence en alliage métallique pour assurer une bonne conduction de la chaleur. Ainsi le piston 3 peut être par exemple en alliage d'aluminium ou en acier. Quand le moteur 1 à combustion fonctionne, le piston 3 est animé d'un mouvement rectiligne alternatif dans le cylindre 5, comme indiquée par les flèches F1 et F2, parallèlement à l'axe Z. Conformément à l'invention, le piston comprend au moins un caloduc 20. Le caloduc 20 présente de manière connue une enceinte hermétique qui renferme un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide. De préférence, l'enceinte forme un conduit 21 de circulation du fluide en boucle fermée. Le conduit 21 de circulation comprend une partie dite évaporateur 22, une partie dite condenseur 23. Le conduit 21 comprend aussi une partie faisant office de conduit d'amenée 24 du fluide vers l'évaporateur 22 et une partie faisant office de conduit de retour 24' du fluide vers le condenseur 23. Les conduits d'amenée 24 de retour 24' peuvent être isolées thermiquement. La partie évaporateur 22 du caloduc 20 est disposée du coté d'une source chaude, en l'occurrence ici en direction de la chambre 2 de combustion du moteur 1, à proximité de la couronne supérieure 7. La partie condenseur 23 est disposée du coté d'une source froide. De préférence, la partie condenseur 23 s'étend à proximité de la jupe 15 du piston 3 car celle-ci échange de la chaleur avec le cylindre 5 qui est constamment refroidi par un circuit de refroidissement, non représenté. De préférence, le caloduc 20 comporte un clapet anti-retour 25 disposé dans le conduit 21 de circulation du fluide et propre à laisser passer la phase liquide selon un premier sens de déplacement du piston 3 et à interdire le passage de la phase liquide selon un second sens de déplacement du piston 3. Plus précisément, le clapet anti-retour 25 est placé dans le conduit d'amenée 24 destinée à permettre le passage de la phase liquide de la partie condenseur 23 vers la partie évaporateur 22. Le clapet anti-retour 25 est monté de manière à n'autoriser que la circulation de la phase liquide du coté condenseur 23 vers le coté évaporateur 22. Le clapet anti-retour 25 illustré en figure 1 est du type à bille, qui a pour avantage d'être simple, robuste et d'un coût très faible. Comme illustré schématiquement en figure 1, le clapet anti-retour 25 comprend donc une bille 26, et un ressort de rappel 27. Le ressort 27 vient à une de ses extrémités en appui contre une butée 28 tandis que l'autre extrémité vient en appui sur la bille 26. Sous l'action du ressort 27, la bille 26 est appliquée sur un siège 29 pour obstruer le passage de la phase liquide. On notera que dans l'invention, la phase liquide et la phase vapeur circulent dans le caloduc 20 en sens opposé mais ne sont pas mutuellement en contact l'une avec l'autre comme dans un caloduc tubulaire conventionnel rectiligne et clos. De plus, contrairement aux caloducs fonctionnant par capillarité, le caloduc 20 ne comprend pas de réseau capillaire dans le conduit 21, ce qui en simplifie la conception et la réalisation. Le fonctionnement est le suivant : Lorsque le moteur 1 est en fonctionnement, les combustions réalisées dans la chambre de combustion 2 dégagent de la chaleur et permettent l'animation du piston 3 d'un mouvement rectiligne alternativement selon les flèches F1 et F2. Le piston 3 reçoit une partie de cette chaleur au niveau de sa surface frontale S, qui par conduction dans le corps du piston 3 atteint la partie évaporateur 22 du caloduc 20. Au cours d'un mouvement descendant du piston 3, selon la flèche F2, la bille 26, sous l'effet de son inertie décolle de son siège 29. Par ailleurs, le ressort 27 est prévu d'être taré suffisamment faiblement pour ne pas contrarier cette action. Le clapet anti-retour 25 est alors ouvert. Au cours de ce même mouvement, une fraction de la phase liquide, elle aussi sous l'effet de son inertie, de trouve à traverser le clapet anti-retour 25 ouvert, remontant ainsi vers la partie évaporateur 22. Au cours d'un mouvement ascendant du piston 3, selon la flèche F1, l'inertie de la bille 26 et l'action du ressort 27 applique la bille 26 contre le siège 29. Le clapet anti-retour 25 est alors fermé et empêche la phase liquide présente de revenir vers le coté condenseur 23 par gravité et par inertie. La combinaison du clapet anti-retour 25, des mouvements alternatifs du piston 3 et du jeu des inerties de la phase liquide et de la bille 26 permettent ainsi de « pomper » la phase liquide du coté condenseur 23 pour le faire remonter vers le coté évaporateur 22 par le conduit d'amenée 24 du conduit 21 en boucle fermée, et d'obtenir ainsi un caloduc 20 fonctionnant contre la gravité sans utiliser le moyen classique du réseau capillaire, ce qui simplifie la conception et la réalisation dudit caloduc 20. La partie évaporateur 22 est donc alimentée régulièrement en fluide sous phase liquide qui, sous l'effet de la chaleur en provenance de la chambre de combustion 2, s'évapore. La phase vapeur ainsi générée retourne ensuite par le conduit de retour 24' vers la partie condenseur 23 où la chaleur est évacuée par la jupe 15 vers le cylindre 5. Ce mode de réalisation a encore pour avantage de permettre la simplification de la conception du piston. En effet, il n'est pas nécessaire de prévoir dans le piston 3 les passages classiques de circulation d'huile à proximité de la surface frontale S pour assurer l'évacuation de la chaleur et le refroidissement du piston. La figure 2 présente maintenant un second mode de réalisation. Ce second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation présenté en figure 1 en ce que le conduit de retour 24'comprend une restriction 30 de section de passage. Cette restriction 30 permet le passage de la phase vapeur, mais présente une ouverture de taille insuffisante pour que la phase liquide repasse par inertie dans le conduit de retour 24' lors des mouvements descendants du piston 3. Avantageusement, la restriction 30 peut être réalisée par un étranglement du conduit de retour 24'. La figure 3 présente un autre mode de réalisation de caloduc 20', qui diffère du précédent mode de réalisation présenté en figure 2 en ce qu'il est formé d'un conduit d'amenée 24 et d'un conduit de retour 24' disposés côte à côte, en contact, et de capuchons 32, 33 de fermeture disposés en extrémité des conduits, respectivement coté de la partie évaporateur 22 et de la partie condenseur 23. Les capuchons 32, 33 de fermeture peuvent être soudés aux conduits d'amenée 24 et de retour 24' ou encore sertis. Dans une autre variante, non représentée le caloduc peut être formé d'un tube cintré en U et refermé par un capuchon aux extrémités libres. La figure 4 présente, en vue de dessus, un piston 3 comprenant plusieurs caloducs 20 tels que présentés en figure 2. Comme l'illustre encore la figure 4, les caloducs 20 sont disposés dans le piston 3 sensiblement en cercle autour de l'axe Z, d'un coté ou de d'autre du passage 10. En effet, la présence de ce passage 10 ne permet pas de placer aisément un caloduc dans cette zone. Dans cette configuration, la partie évaporateur 22 est disposée de manière à s'étendre à proximité de la surface frontale S du piston 3 en contact avec la combustion, tandis que la partie condenseur 23 est disposée à proximité du bord de la jupe 15. La répartition des caloducs 20 autour de l'axe Z peut être sensiblement régulière, pour une évacuation homogène de la chaleur, ou choisie en fonction par exemple de la présence de points chauds créés par des zones de combustion au point d'impact des jets pulvérisés de carburant, sur la surface frontale S. La figure 5 et la figure 6 présentent, respectivement en vue de dessus et en vue de coté, dans le plan du passage 10 de l'axe de liaison du piston, un piston 3 comprenant deux caloducs 40, disposés chacun d'un coté du passage 10 de l'axe de liaison du piston 3. Dans cette variante, les parties condenseur 23 et évaporateur 22 des caloducs 40 s'étendent en arc de cercle, les conduits d'amenée 24 et de retour 24' reliant les cotés condenseur 23 et évaporateur 22 étant situés à proximité du passage 10 de l'axe de liaison du piston, afin de couvrir au mieux le refroidissement de la surface frontale S. La fabrication du piston 3 peut se faire avantageusement selon les principales étapes suivantes : - une étape de fourniture des caloducs, - une étape d'installation des caloducs dans un moule de piston, - une étape de coulée de l'alliage métallique du piston dans le moule, Les caloducs sont ainsi parfaitement maintenus insérés dans le piston et en bon contact thermique. L'invention ne se limite pas aux motorisations Diesel et convient à tout type de moteur à combustion interne ou machine à mouvement alternatif de piston dont le ou les pistons doivent être refroidis.30 REVENDICATIONS1. Piston en alliage métallique destiné à se déplacer alternativement dans un premier sens puis un second sens parallèlement à un axe central (Z) du piston, ledit piston comprenant au moins un caloduc (20, 20', 40) comportant une enceinte hermétique (21) renfermant un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide, caractérisé en ce que l'enceinte hermétique (21) forme une boucle fermée de circulation du fluide présentant une partie condenseur (23), un conduit d'amenée (24) de la phase liquide vers une partie évaporateur (22), un conduit de retour (24') de la phase vapeur vers la partie condenseur (23) et en ce que le caloduc (20, 20', 40) comporte un clapet anti-retour (25) disposé dans le conduit d'amenée (24) et propre à laisser passer la phase liquide selon le premier sens et à interdire le passage de la phase liquide selon le second sens. 2. Piston selon la revendicationl, caractérisé en ce que le clapet anti-retour est adapté pour d'une part s'ouvrir par inertie au cours du déplacement du piston dans le premier sens afin d'autoriser le passage au travers du clapet d'une fraction de la phase liquide vers la partie évaporateur (22) et pour d'autre part interdire le passage de la phase liquide vers la partie condenseur (23) au cours du déplacement du piston dans le second sens. 3. Piston selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit de retour (24') comprend une restriction (30) de section de passage. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la restriction est obtenue par un étranglement du conduit de retour (24'). 5. Piston selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le clapet anti-retour (25) est du type à bille avec ressort de rappel. 6. Piston l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston comprenant une surface frontale (S), la partie évaporateur (22) s'étend à proximité de ladite surface frontale (S). 7. Piston l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston comprenant une jupe (15), la partie condenseur (22) s'étend à proximité de ladite jupe (15). 8. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le piston comprenant un passage (10) d'un axe de liaison, le au moins un caloduc (20, 40) est disposé dans le piston d'un coté ou de l'autre dudit passage (10). 9. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie évaporateur (22) s'étend en arc de cercle autour de l'axe central (Z). 10. Piston l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le conduit d'amenée (24) et le conduit de retour (24') sont disposés côte à côte, en contact. 11. Piston selon la revendication 9, caractérisé en ce que le conduit d'amenée (24) et le conduit de retour (24') sont raccordés à au moins une de leur extrémité par un capuchon (32, 33) de fermeture. 12. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un caloduc (20, 20', 40) inséré à la coulée de l'alliage métallique lors du moulage dudit piston. 13. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston selon l'une quelconque des revendications précédentes.