Brevet FR3089575A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Circulateur à liquide Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine des circuits de refroidissement et plus particu- lièrement les circulatcurs à fluide caloporteur. [0002] ARRIERE PLAN DE L'INVENTION [0003] Un circuit de refroidissement comprend généralement un premier échangeur thermique de source froide et un deuxième échangeur thermique de source chaude. Ces deux échangeurs sont reliés par un circuit fermé parcouru par un fluide caloporteur mis en circulation à l'aide d'un circulateur. Un circulateur comprend classiquement un boiticr définissant un logement ayant une entrée et une sortie de fluide reliés au circuit fermé ainsi qu'une turbine montée à rotation dans le logement selon un premier axe de rotation. La turbine est solidaire d'un arbre d'entrainement qui traverse une paroi du boiticr en une sortie d'accouplement pour être relié à un moteur. L'étanchéité de la sortie d'accouplement est généralement assurée par un joint tournant. Dans des systèmes critiques, ce joint doit être régulièrement changé pour éviter d'immobiliser l'aéronef Les difficultés d'accès des circuIateurs et la nécessité de purger le circuit rendent une telle opération longue et conteuse. [0004] OBJET DE L'INVENTION [0005] Un but de l'invention est de réduire les coûts de maintenance et la fiabilité d'un circuit de refroidissement. Résumé de l'invention [0006] A cet effet, on prévoit un circulateur à fluide liquide comprenant un boiticr dé- finissant un logement ayant uns entrée et une sortie de fluide et une turbine montée à rotation dans le logement selon un premier axe de rotation. Selon l'invention, le circulateur comprend des moyens de générer un champ magnétique tournant, et la turbine comprend au moins uns première partie en matériau ferromagnétique destinée à être soumise à une influence du champ magnétique pour être mise en rotation autour du premier axe de rotation. [0007] Ainsi, le circulateur étant dépourvu de sortie d'accouplement de la turbine et de joint tournant, la fiabilité du circulateur est améliorée et les coûts de maintenance sont réduits. [0008] Avantageusement, la turbine comprend une portion centrale réalisée en un matériau isolant et dans lequel la première pallie comprend une pallie périphérique réalisée en un matériau ferromagnétique. [0009] Les coûts de fabrication sont réduits lorsque le matériau isolant est un matériau ther- 2 moplastique et/ou la fabrication de la turbine est réalisée par fabrication additive. [0010] Le rendement du circulatcur est amélioré lorsque la turbine comprend des éléments conducteurs agencés pour former un induit en court-circuit et que les interactions entre les moyens de générer le champ magnétique tournant et l'induit en court-circuit étant similaires à celles d'une machine asynchrone. [0011] Les coûts de fabrication sont réduits lorsque les éléments conducteurs comprennent des particules conductrices intégrées à une hase électriquement isolante et/ou le cir- culateur comprend des particules magnétiques noyées dans un matériau isolant. [0012] De manière préférentielle, les particules magnétiques sont des nanoparticules. [0013] On obtient les avantages d'une machine synchrone lorsque la turbine comprend une deuxième partie en matériau ferromagnétique, la première et la deuxième portion étant de polarité magnétiques opposées. [0014] Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de générer un champ magnétique tournant sont agencés pour être reliés à une source de tension triphasée. [0015] Avantageusement encore, les moyens de générer un champ tournant comprennent au moins deux enroulements conducteurs s'étendant en regard de la première portion. [0016] L'invention concerne également un circuit de refroidissement comprenant un cir- culateur à fluide telle que décrit ci-dessus et un aéronef comprenant un tel circuit de refroidissement. [0017] L'invention comprend également un procédé de fabrication d'un circulatcur tel que décrit ci-dessus comprenant les étapes suivantes : [0018] - réaliser par fabrication additive un ensemble monobloc comprenant la turbine et le boitier dans lequel le boitier s'étend autour de la turbine ; [0019] - désolidariser la turbine du boitier. [0020] On obtient ainsi un boitier dépourvu de jonction entre pièces dont l'étanchéité est ainsi totale. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lumière de la description qui suit de modes de réalisation non limitatifs de l'invention. Brève description des dessins [0022] Il sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0023] [fig.]] La figure 1 est une vue schématique en coupe selon un plan H-11 d'un premier mode de réalisation d'un circulateur selon l'invention. [0024] [fig.2] La figure 2 est une vue schématique en coupe selon un plan I-I du circulateur de la figure 1. [0025] [fig.3] 3 La figure 3 est une vue schématique en coupe selon le plan I1-11 de la turbine du cir- culateur de la figure 1. [0026] [fig.4] La figure 4 est une vue schématique en coupe selon le plan FI de la turbine du cir- culateur de la figure 1. [0027] [fig.5] La figure 5 est une vue schématique d'un dispositif de fabrication de la turbine du circulatcur de la figure 1. [0028] [fig.6] La figure 6 est une vue schématique en coupe selon le plan FI de la turbine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; [0029] [fig.7] La figure 7 est une vue schématique en coupe selon le plan FI de la turbine selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; [0030] [fig.8] La figure 8 est une vue schématique d'une première étape d'un procédé de réalisation du circulatcur de la figure 7 ; [0031] [fig.9] La figure 9 est une vue schématique d'une deuxième étape d'un procédé de réa- lisation du circulatcur de la figure 7 ; [0032] [fig.10] La figure 10 est une vue schématique d'une troisième étape d'un procédé de réa- lisation du circulateur de la figure 7 ; [0033] [fig.11] La figure 11 est une vue schématique d'une quatrième étape d'un procédé de réa- lisation du circulateur de la figure 7 ; [0034] [fig.12] La figure 12 est une vue schématique d'une quatrième étape d'un procédé de réa- lisation du circulateur de la figure 7. Description des modes de réalisation [0035] En référence aux figures 1 et 2, le circulateur selon l'invention, généralement désigné 1, comprend un boitier 2 cylindrique de premier axe Ox de révolution. Le boitier 2 est réalisé par moulage et comprend une première partie 2.1 supérieure de boitier 2 et une deuxième partie 2.2 inférieure de boitier 2 reliées par un joint d'étanchéité 3. La première partie 2.1 est pourvue d'une première oreille 4.11, d'une deuxième oreille 4.12, d'une troisième oreille 4.13 et d'une quatrième oreille 4.14 percées et réparties à quatre-vingt-dix degrés l'une de l'autre sur la périphérie 5 de la première partie 2.1 de hoitier 2. La deuxième partie 2.2 est pourvue d'une cinquième oreille 4.21, d'une sixième oreille 4.22, d'une septième oreille 4.23 et d'une huitième oreille 4.24 percées et réparties à quatre-vingt-dix degrés l'une de l'autre sur la périphérie 6 de la deuxième partie 2.2 de hoitier 2. Les première, deuxième, troisième et quatrième oreilles 4.11 à 4.14 font respectivement face au cinquième, sixième, septième et huitième oreilles 4.21 à 4.24 et accueillent des boulons 7 de serrage du joint 3. [0036] Le hoitier 2 définit un logement 8 ayant une entrée 9 de fluide et une sortie 10 de fluide. [0037] Le circulatcur 1 comprend également une turbine 20 à pales 60 montée à rotation dans le logement 8 selon le premier axe Ox à l'aide d'un palier supérieur 21 et d'un palier inférieur 22 respectivement monté dans la première partie 2.1 et la deuxième partie 2.2 de hoitier 2. La turbine 20 comprend une portion supérieure 23 en forme de cylindre droit qui est engagée dans le premier palier 21 et une portion inférieure 24 en forme de cylindre droit qui est engagée dans le deuxième palier 22. [0038] La périphérie 8.1 du logement 8 comprend trois enroulements statoriques 11.1, 11.2 et 11.3 qui s'étendent à distance d'un bord extérieur 25 de la turbine 20. Les enroulements statoriqucs 11.1 à 11.3 sont tous individuellement reliés à une unité de contrôle 30 alimentée par un générateur 31 alternatif triphasé. [0039] Comme visible en figures 3 et 4, la turbine 20 possède un diamètre extérieur D20 et comprend une portion centrale 26 de diamètre extérieur D26 sensiblement égal à 0.95' D20 réalisée en Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS). Une portion périphérique 27 est solidaire de la portion centrale 26 et comprend huit noyaux 28.1 à 28.8 en alliage ferromagnétique de Néodyme et de Fer, ici un alliage Nd2Fei4B. Les noyaux 28.1 à 28.8 sont, ici de forme sensiblement sphérique et sont régulièrement répartis sur la périphérie de la turbine 20. La portion périphérique 27 est en ABS enrichi de micro-particules d'argent 29. [0040] La turbine 20 est ici réalisée par fabrication additive à l'aide d'une buse multi matériaux 40 reliée à un premier réservoir 41 d'ABS, un deuxième réservoir 42 d'ABS enrichi en microparticules d'argent 29 et un troisième réservoir 43 d'ABS enrichi en nanoparticules d'alliage de néodyme et de Fer Nd2Fe14B. La transition entre la portion centrale 26 et la portion périphérique 27 est réalisée par modification de l'alimentation de la buse multi matériaux 40 depuis le premier réservoir 41 vers le deuxième réservoir 42. Les noyaux 28.1 à 28.8 sont réalisés au sein de la portion périphérique 27 par dépôt, à l'aide de la buse multi matériau 40, d'agglomérats du matériau issus du troisième réservoir 43. [0041] En fonctionnement, l'unité de contrôle 30 alimente chacun des enroulements sta- toriques 11.1 à 11.3 à l'aide d'une tension individualisée qui varie, selon des modalités connues de l'homme du métier, de manière à produire un champ magnétique tournant B8 dans le logement 8. Les microparticules d'argent 29 forment, dans la portion périphérique 27 de la turbine 20, un induit en court-circuit, également connu sous le nom de « cage d'écureuil ». Les noyaux 28.1-28.8 favorisent la concentration des lignes de flux magnétique et améliorent encore le rendement de la turbine 20. Ainsi soumise à l'influence du champ magnétique tournant B8, la turbine 20 est parcourue par des courants rotoriqucs induits par la variation du flux magnétique. Une force électromotrice induite apparaît et provoque la rotation de la turbine 20 autour du premier axe Ox. Ce fonctionnement et les interactions entre les enroulements statoriqucs 11.1 à 11.3 et la portion périphérique 27 sont similaires à celles d'une machine asynchrone triphasée. [0042] Lorsque la turbine 20 est raccordée à un circuit de refroidissement 50 de distribution d'un fluide caloporteur 51 vers un échangeur 52 dans un aéronef (non représenté), la rotation de la turbine 20 sous l'effet du champ magnétique créé par les enroulements statoriqucs 11.1 à 11.3 met en circulation le fluide caloporteur 51 depuis l'entrée 9 de fluide vers la sortie 10 de fluide. [0043] On obtient ainsi un circulatcur 1 dont la turbine 20 est dépourvue d'accouplement mécanique à un moteur d'entraînement et qui ne requiert alors pas de joint tournant. La fiabilité et la maintenance d'un tel circulatcur est grandement amélioré par rapport aux circulatcurs existants. [0044] Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique à ceux-ci dans la description qui suit des deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention. [0045] Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté en figure 6, la turbine 20 comprend une portion centrale 26 en ABS de laquelle est solidaire une portion périphérique 27 en ABS, ici dépourvue de microparticules d'argent 29. La portion périphérique 27 comprend, ici, un premier noyau 28.1,un deuxième noyau 28.2, un troisième noyau 28.3, un quatrième noyau 28.4 en alliage Néodyme et de Fer NdnFektB. Les noyaux 28.1 à 28.4 sont sensiblement en forme d'arc et s'étendent chacun sur un secteur de quatre-vingt-dix degrés dans la portion périphérique 27. Le premier noyau 28.1 est ainsi diamétralement opposé au troisième noyau 28.3, le deuxième noyau 28.2 est, quant à lui, diamétralement opposé au quatrième noyau 28.4. [0046] Lors d'une opération de polarisation magnétique, le premier noyau 28.1 et le troisième noyau 28.3 sont polarisés pour présenter une polarité magnétique positive. Le deuxième noyau 28.2 et le quatrième noyau 28.4 sont polarisés pour présenter une polarité magnétique négative. [0047] En fonctionnement, l'unité de contrôle 30 alimente chacun des enroulements sta- toriques 11.1 à 11.3 à l'aide d'une tension individualisée qui varie, selon des modalités connues de l'homme du métier, de manière à produire un champ magnétique tournant 6 B8 dans le logement 8. Ainsi soumise à l'influence du champ magnétique tournant B8, le premier noyau magnétique 28.1, le deuxième noyau magnétique 28.2, le troisième noyau magnétique 28.3 et le quatrième noyau magnétique 28.4 sont soumis à des efforts d'attraction/répulsion magnétiques qui provoquent la rotation de la turbine 20 autour du premier axe Ox. Ce fonctionnement et les interactions entre les enroulements statoriques 11.1 à 11.3 et la portion périphérique 27 sont similaires à celles d'une machine synchrone triphasée. [0048] Lorsque la turbine 20 est raccordée à un circuit de distribution 50 d'un fluide ca- loporteur 51 vers un échangeur 52 dans un aéronef (non représenté), la rotation de la turbine 20 sous l'effet du champ magnétique créé par les enroulements statoriques 11.1 à 11.3 met en circulation le fluide caloporteur 51 depuis l'entrée 9 de fluide vers la sortie 10 de fluide. [0049] Selon un troisième mode de réalisation de l'invention représenté en figure 7, la portion supérieure 23 et la portion inférieure 24 de la turbine 20 sont en forme de cône respectivement de sommet supérieur 23.1 et de sommet inférieur 24.1. Le sommet supérieur 23.1 est reçu dans un logement conique supérieur 32 du boiticr 2 et le sommet inférieur 24.1 est reçu dans un logement conique inférieur 33 du boitier 2. Les pales 60 de la turbine 20 sont inclinées pour fournir une sustentation hydraulique de la turbine 20 lors de sa rotation dans le fluide caloporteur 51. [0050] La fabrication du circulatcur 1 et de la turbine 20 va être maintenant décrite en référence aux figures 8 à 12. [0051] L'ensemble boitier 2 et turbine 20 est fabriqué au cours d'une unique opération de fa- brication additive d'un ensemble monobloc par la technique dite de dépôt de fil tendu (ou Fuse Deposition Modeling) à l'aide d'un fil en Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS). Selon une première étape représentée en figure 8, la buse 40 réalise une première couche 70 de base du boitier 2 qui comprend la sortie 10 de fluide. Selon une deuxième étape représentée en figure 9, la buse 40 dépose une deuxième couche 71 qui définit le logement conique inférieur 33 ainsi que le sommet inférieur 24.1 qui lui est relié par une première colonne 72 d'ABS. Selon une troisième étape représentée en figure 10, la buse 40 dépose une troisième couche 73 qui définit le logement conique inférieur 33 ainsi que la turbine 20, sa portion centrale 26, sa portion périphérique 27, ses noyaux 28.1 à 28.8 et sa portion supérieure 23. Selon une troisième étape représentée en figure 10, la buse 40 dépose une troisième couche 73 qui définit le logement conique inférieur 33 ainsi que la turbine 20, sa portion centrale 26, sa portion périphérique 27, ses noyaux 28.1 à 28.8 et une partie de la portion supérieure 23. Selon une quatrième étape représentée en figure 11, la buse 40 dépose une quatrième couche 74 et achève de définir la portion supérieure 23 de la turbine 20 ainsi que le logement conique supérieur 32 auquel le sommet supérieur 23.1 est relié à l'aide d'une deuxième 7 colonne 75 en ABS. Lors de cette quatrième couche, la busc 40 achève la fabrication du boiticr 2 et de l'entrée 9 de fluide. [0052] On obtient ainsi un ensemble l'aider 2 et turbine 20 monobloc fabriqué en une seule opération de fabrication additive. Les enroulements statoriques 11.1 à 11.3 sont ensuite rapportés sur l'extérieur du boiticr 2 (figure 12). [0053] La désolidarisation de la turbine 20 du boiticr 2 est réalisée par forçage de fluide entre l'entrée 9 et la sortie 10 avec ou non l'application d'une tension aux bornes des enroulements statoriques 11.1 à 11.3 afin d'appliquer un couple de rotation autour de l'axe Ox à la turbine 20 relativement au boiticr 2. Ces efforts créent une rupture de la première colonne 74 et de la deuxième colonne 75 par cisaillement par torsion. [0054] Lorsque la turbine 20 est raccordée à un circuit de distribution 50 d'un fluide ca- loporteur 51 vers un échangeur 52 dans un aéronef (non représenté), la rotation de la turbine 20 sous l'effet du champ magnétique créé par les enroulements statoriques 11.1 à 11.3 met en circulation le fluide caloporteur 51 depuis l'entrée 9 de fluide vers la sortie 10 de fluide. Le fluide caloporteur 51 réalise avantageusement une lubrification des guidages des potions supérieure 23 et inférieure 24 de la turbine 20 respectivement dans le logement conique supérieur 32 et le logement conique inférieur 33. La sustentation hydraulique de la turbine 20 lors de sa rotation dans le fluide caloporteur 51 améliore encore la rotation de la turbine 20 dans le logement 8. [0055] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. [0056] En particulier, bien qu'ici le boitier soit réalisé pal- moulage, l'invention s'applique également à d'autres modes de réalisation du boitier comme par exemple un boitier mécanosoudé ou réalisé par fabrication additive ; bien qu'ici les enroulements statoriques soient alimentés par un générateur alternatif triphasé, l'invention s'applique également à d'autres types d'alimentation du circulateur comme par exemple une alimentation alternative monophasée ou hexaphasée ou continue dans le cas de bobines tournantes motorisées; bien qu'ici le diamètre extérieur de la portion centrale de la turbine soit égale à quatre-vingt-quinze pour cent de celui de la turbine, l'invention s'applique également à d'autres rapport entre le diamètre de la turbine et celui de la portion centrale ; bien qu'ici la portion centrale soit réalisée en ABS, l'invention s'applique également à d'autres types de matériau isolant comme par exemple de l'acide polylactique, ou un autre polymère styrénique ou non, le matériau pouvant être thermoplastique ou non, adapté ou non à la fabrication additive ; bien qu'ici la portion périphérique soit réalisée en ABS, l'invention s'applique également à d'autres types de matériau pour la portion périphérique comme par exemple de l'acide polylactique, ou un autre polymère styrénique ou non, le matériau pouvant être thermoplastique ou non, adapté ou non à la fabrication additive ; bien qu'ici la turbine comprenne huit noyaux sphériques en alliage de Néodyme et de Fer réalisés par fabrication additive, l'invention s'applique également à d'autres types de premières parties en matériau ferromagnétique comme par exemple des aimants permanents parallélépipédique préfabriqués en ferrite, des éléments de forme quelconque préfabriqués ou non en alliage d'Aluminium-Nickel-Cobalt ou en Arsenium de Manganèse ; bien qu'ici la portion périphérique soit réalisée en ABS enrichi de micro-particules d'argent, l'invention s'applique également à d'autres types d'éléments conducteurs comme par exemple des fils de cuivre, d'argent, d'aluminium ou d'acier ; bien qu'ici la portion périphérique soit réalisée en ABS enrichi de micro-particules d'argent, l'invention s'applique également à d'autres types de particules conductrices comme par exemple des nanoparticules d'argent, des microparticules de fer, d'acier, de cuivre ou d'aluminium. Ces particules pouvant être intégrées à d'autres types de bases électriquement isolantes comme par exemple une base en bakélite, en nylon, en polyéthylène, silicone, ou polychlorure de Vinyle ; bien qu'ici la turbine soit réalisée en fabrication additive par injection thermoplastique à l'aide d'une buse muid matériaux, l'invention s'applique également à d'autres types de fabrication additive comme par exemple une fabrication par injection thermoplastique à plusieurs buses, une fabrication laminée par fusion ou frittage de de poudres ou une fabrication par solidification laser de résine ; bien qu'ici le boitier soit en forme de cylindre droit, l'invention s'applique également à d'autres forme de logement comme par exemple un logement parallélépipédique, de forme quelconque, de révolution ou non ; bien qu'ici le logement comprenne trois enroulement statoriques alimentés en triphasé, l'invention s'applique également à d'autres moyens de générer un premier champ magnétique tournant comme par exemple deux enroulement statoriques ou plus de trois, des aimants permanents montés à rotation, des bobines montées à rotation ; bien qu'ici la turbine comprenne quatre ou huit première partie en matériau ferromagnétique, l'invention s'applique également à une turbine comprenant un nombre différent de partie magnétique comme par exemple un unique partie magnétique, deux, trois , cinq, six, sept ou plus de huit ; bien qu'ici l'étape de désolidariser la turbine du boitier soit réalisée une fois l'étape de fabrication d'un ensemble monobloc comprenant la turbine et le boitier, l'invention s'applique également à une étape de dégel idarisation intervenant au cours de l'étape de fabrication ; bien qu'ici le procédé de fabrication ait été décrit en lien avec un procédé de fabrication par dépôt fil tendu, l'invention s'applique également à d'autres types de procédé de fabrication additive comme par exemple la fusion de poudre sélective par laser, le frittage de poudre sélectif par laser, l'impression 3D, la fusion de poudre par faisceau d'électron, la stéréolithographie ou la modélisation d'objets laminés ; bien que l'entrée et la sortie de fluide soient réalisé lors des opérations de réalisation par fabrication additive, l'invention s'applique également à d'autres méthodes de réalisation de l'entrée et la sortie de fluide comme par exemple un perçage avec ou non pose d'insert ; bien qu'ici les pales de la turbine soient inclinées pour fournir une sustentation hydraulique de la turbine lors de sa rotation dans le fluide caloporteur, l'invention s'applique également à des pales dépourvues d'une telle inclinaison ; bien qu'ici la turbine soit reliée au boitier par une première colonne et une deuxième colonne situées au niveau des logement coniques supérieur et inférieur, l'invention s'applique également à d'autres moyens de liaison de la turbine te du boitier, comme par exemple une unique colonne, plus de deux, un point de liaison. Ces éléments de liaison peuvent être établis au niveau des logements inférieurs et supérieurs ou à d'autres endroits qui dépendent du sens de fabrication (point de départ) du circulateur ; bien qu'ici le procédé de fabrication ait été décrit en lien avec la fabrication d'une turbine comprenant au moins une première partie en matériau ferromagnétique, l'invention s'applique également à une turbine dépourvue de premier élément magnétique et qui serait agencée pour faire office d'induit en court-circuit, comme par exemple une turbine métallique, une turbine comprenant des éléments électriquement conducteurs ou des particules électriquement conductrices ; - bien qu'ici, pour des commodités de description, le procédé de réalisation ait été décrit comme une succession d'étapes discrètes, l'invention s'applique également à une réalisation en continu des étapes du procédé de l'invention. 10