EP4244499A1 - Ressort élastique à spires, système d'amortissement et procédé de fabrication associés - Google Patents

Ressort élastique à spires, système d'amortissement et procédé de fabrication associés

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Publication number
EP4244499A1
EP4244499A1 EP21811048.4A EP21811048A EP4244499A1 EP 4244499 A1 EP4244499 A1 EP 4244499A1 EP 21811048 A EP21811048 A EP 21811048A EP 4244499 A1 EP4244499 A1 EP 4244499A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spring
heat transfer
transfer fluid
hollow core
turns
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21811048.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Planque
Guilhem Roux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4244499A1 publication Critical patent/EP4244499A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2222/00—Special physical effects, e.g. nature of damping effects
    • F16F2222/02—Special physical effects, e.g. nature of damping effects temperature-related
    • F16F2222/025—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/04—Fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2228/00—Functional characteristics, e.g. variability, frequency-dependence
    • F16F2228/001—Specific functional characteristics in numerical form or in the form of equations
    • F16F2228/002—Temperature

Definitions

  • the present invention relates to the field of coil springs. It finds a particularly advantageous but non-limiting application in the field of damping systems, for example for automobiles, and/or for industrial equipment.
  • a spring is an elastic member capable of withstanding significant deformations compared to an initial configuration.
  • a spring is intended, after deformation or loading, to exert a restoring force, for example bending, tension, compression, torsion to tend towards its initial configuration.
  • the springs are intended to absorb a shock by absorbing energy, and to produce a movement by restoring the stored energy or even to exert a static force after having been deformed.
  • the spring material is characterized by: Re 2 /(2E), Re being the elastic limit and E the Young's modulus of this material. This value is typically high for materials suitable for the manufacture of springs. In addition, it is preferable for a high elastic live strength to be accompanied by good resilience and good endurance vis-à-vis alternating forces.
  • the mechanical properties of a spring depend on the temperature of their environment of use. In order to adapt the properties of the springs according to this temperature, the existing solutions plan to choose a material having sufficient mechanical properties at this temperature.
  • coil springs comprise a helical body forming turns.
  • Coil springs made of steel are known.
  • a first family of steels used for springs is that of mangano-siliceous steels, possibly including a little chromium, tungsten, molybdenum or vanadium.
  • springs made of chrome steel which may also include vanadium, manganese or silicon-molybdenum.
  • Elinvar an alloy of iron, nickel, chromium and manganese, exhibits a temperature-independent Young's modulus. It is used in the manufacture of springs intended for precision devices (galvanometers, seismographs, chronometers, tuning forks, etc.), the spring being insensitive to temperature variations.
  • steel-based springs The performance of steel-based springs is limited in a thermally constraining environment. At very low temperatures, for example from -150° to -200°C, steels are fragile and brittle. In addition, the yield strength of steels decreases when the temperature rises.
  • springs made of Inconel® type alloys based on nickel and aluminum are known. These springs retain their mechanical properties up to 400°C, or even 500°C. Beyond 500°, the mechanical properties of these springs deteriorate the more the temperature increases. The deterioration of the mechanical properties is also observed at very low temperatures, for example around -150 to -200°C.
  • An object of the present invention is therefore to provide a solution aimed at improving the performance of a spring over a wide temperature range.
  • Another object of the present invention is to provide a solution aimed at improving the performance of a spring in a thermally constraining environment.
  • Non-limitingly, another object of the present invention is to propose a solution aimed at facilitating the damping of a system over a wide temperature range, and in particular in a thermally constraining environment.
  • an elastic spring comprising a body forming turns, for example based on at least one metal.
  • the body has a hollow core extending at least along the turns, between an inlet and an outlet of the body, the hollow core defining a circulation volume of a heat transfer fluid inside the turns, the spring being configured such that a heat transfer fluid enters the hollow core through the body inlet, flows through the hollow core and exits the hollow core through the body outlet.
  • the spring is able to be tempered by a heat transfer fluid circulating inside its coils.
  • the fact of tempering the spring makes it possible to limit, or even avoid, a deterioration of its mechanical properties with temperature, and in particular in a thermally restrictive environment.
  • the proposed solution makes it possible to reduce the constraints usually imposed concerning the choice of the material constituting the turns.
  • the invention thus makes it possible to choose materials whose characteristics, for example in terms of elastic limit or cost, meet the desired needs, even though these materials could not have been selected in the absence of cooling of the competence.
  • the proposed invention thus makes it possible to reduce the cost of the springs.
  • the spring is particularly suitable for a very high temperature environment, for example at a temperature above 500°C.
  • the spring can thus be integrated into assemblies operating at very high temperatures, such as furnaces and steelmaking equipment. This is also valid for low temperatures, for example around -150°C to -200°C.
  • the circulation of the heat transfer fluid in the hollow core 11 makes it possible to heat the spring on the same principle.
  • Tempering the spring offers an alternative or complement to adapting the material to the temperature of the environment.
  • the same spring can be adapted to a wide range of temperatures, and therefore to many applications.
  • the invention relates to a damping system comprising: at least one elastic spring according to the first aspect, a device for circulating a heat transfer fluid, fluidly connected to the spring and configured to circulate a fluid heat carrier inside the spring.
  • the device for circulating the heat transfer fluid comprises at least one of a pump, a pressurized fluid circuit and a heat exchanger.
  • the device for circulating the heat transfer fluid comprises a closed circuit comprising a heat exchanger.
  • the damping system includes the heat transfer fluid.
  • the damping system comprises a device for recovering the heat transfer fluid and/or thermal energy from the heat transfer fluid after circulation of the heat transfer fluid in the hollow core of the spring.
  • the fluid recovery device is configured to inject the heat transfer fluid into another system after circulation of the heat transfer fluid in the hollow core of the spring. This thus makes it possible to enhance the heat transfer fluid, and for example to recover its thermal energy, following the thermalization of the spring.
  • the invention relates to a method of manufacturing the spring according to the first aspect, by additive manufacturing.
  • the manufacturing process additive comprises a deposition layer by layer of at least one material, preferably of at least one material, for example metallic, so as to form an elastic spring comprising a body forming turns, preferably based on said material, having a hollow core extending at least along the turns, between an inlet and an outlet of the body, the hollow core defining a circulation volume of a heat transfer fluid inside the turns, the spring being configured so that a heat transfer fluid enters the hollow core through the body inlet, circulates in the hollow core and exits the hollow core through the body outlet.
  • Figures 1A and 1B each show a front view of a prior art spring.
  • Figure 2A schematically represents the axial loading force of a state-of-the-art spring, in compression.
  • Figure 2B schematically represents the force in angular loading of a spring of the state of the art, in rotation.
  • FIG. 3 represents a front view of a spring according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 represents a front view of a damping system with a cylindrical cross section, according to an exemplary embodiment.
  • Figures 5A to 5C and 5E each show a front view of a spring with a non-cylindrical cross-section, according to four embodiments.
  • Figure 5D shows a front view of a spring having a diabolo-shaped outer casing.
  • Figures 5F and 5G show a front and top view respectively of a torsion spring with a non-cylindrical cross-section.
  • FIGS. 6A and 6B show a front and cross-sectional view respectively of a spring comprising a cup, according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 represents a front view of a spring comprising a cup, according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 8 schematically represents the steps of the printing method according to an example embodiment of the invention.
  • the drawings are given by way of examples and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily at the scale of practical applications.
  • the hollow core is free of solid and/or static material.
  • the hollow core is intended to contain only the heat transfer fluid.
  • the inlet is configured to cooperate with a fluid conduit for supplying the heat transfer fluid inside the hollow core.
  • the outlet is configured to cooperate with a fluid conduit for discharging the heat transfer fluid outside the hollow core.
  • the inlet and the outlet each have a fluid connection portion with a fluid conduit.
  • each fluidic connection portion comprises one of a thread, a quick connector, a fixing groove for a ring or a collar, a double ring connector and a metal seal sealing connector, for example VCR® type.
  • the inlet and the outlet are each arranged at one end of the body of the spring, distinct from each other.
  • the cross section of the body is circular at least along a portion of the turns.
  • the cross-section of the body is non-circular at least along a portion of the turns and preferably triangular, oval, oblong, elliptical or polygonal.
  • the cross section of the body is identical at least along the turns, or even over substantially the entire length of the body of the spring.
  • the cross-section of the body is variable at least along the turns, or even over substantially the entire length of the body of the spring.
  • the spring has non-standard mechanical properties in compression/traction and/or in rotation.
  • the cross section of the body is configured so that the coils fit at least partially into each other, when the spring is in a retracted configuration. Thus, the size of the spring is minimized in its retracted position.
  • the cross section of the body is configured to promote turbulent flow of the heat transfer fluid in the hollow core. The extraction of thermal energy from the spring body is thus improved.
  • the body has a variation of at least one dimension of the cross section S along at least one portion, for example along the turns, preferably over substantially the entire length of the body of the spring, so as to promote turbulent flow.
  • the body has several, preferably punctual, constrictions in cross section along at least a portion, preferably over substantially the entire length, of the body of the spring.
  • the body can therefore have an alternation of restricted cross-section and upper surface cross-section.
  • the cross-section constrictions along at least a portion may be separated from each other by a substantially constant distance.
  • a solution is based on the formation of a helical core in a vortex ("swirl") and pivoting around the central axis of the spring .
  • the cross section S along at least a portion, for example along the coils, preferably over substantially the entire length of the body of the spring, is non-circular and pivots on itself.
  • the cross section is equivalently pivoted in rotation around a central axis of the hollow core, along said portion.
  • the turns together form a shape, referred to as an outer casing, which is not cylindrical or conical, for example the outer casing is diabolo-shaped.
  • the outer casing has two end portions and a central portion located between the two end portions, the section of the central portion being smaller than the section at the level of the end portions.
  • the spring comprises at least one cup secured to a portion of the spring.
  • the at least one cup and the body form a monolithic assembly.
  • the cup has at least one opening, the body having at least one portion which extends through the at least one opening, the opening and the at least one portion being configured so as to allow movement relative to the cup and said portion at least in translation.
  • the cup has at least one opening, the body having at least one portion which extends through the at least one opening, the respective dimensions of the opening and of the portion being configured to allow relative movement of the cup and of the portion at least in translation.
  • the body comprises a portion for supplying the coolant fluid upstream of the turns and/or a portion for discharging the coolant fluid downstream of the turns.
  • the supply portion and the evacuation portion pass through the same dish each through an opening.
  • the fluid inlets and outlets are therefore located on the same side of the spring, and more particularly through the cup.
  • the other side of the spring can thus be free of fluid conduit. Its cooperation with a mechanical assembly damped by the spring is therefore simplified.
  • At least one of the supply portion and the evacuation portion is configured with its opening so that said portion has a degree of freedom at least in translation with the cup, or equivalently so as to allow the relative movement at least in translation of said portion with the cup.
  • only one of the supply portion and the discharge portion is configured with its opening so as to allow relative movement at least in translation of said portion with the cup.
  • the other of the supply portion and the discharge portion can be integral with its opening.
  • the supply portion and the evacuation portion are configured with their respective opening so as to allow the relative movement at least in translation of each portion with the cup.
  • the at least one opening has an outer diameter greater than the outer diameter of the at least one portion extending therethrough, so that said portion slides in translation in the opening.
  • direct contact between the portion and the cup is reduced or even absent.
  • the portion is the supply portion, the heating or cooling of the heat transfer fluid prior to its circulation in the hollow core is minimized, or even avoided.
  • the thermalization of the spring is thus further improved.
  • the portion is the evacuation portion, the heating or cooling of the heat transfer fluid after its circulation in the hollow core is minimized, or even avoided. This is particularly advantageous for recovering the thermal energy of the heat transfer fluid following its circulation in the hollow core.
  • the supply portion and the discharge portion extend in a direction substantially parallel to the central axis A of the spring.
  • the relative translation movement is substantially parallel to the central axis A.
  • the spring is based on or made of at least one material taken from a metal, a ceramic or a plastic material, preferably another rubber.
  • the material has a Young's modulus greater than 100 GPa, and preferably greater than 150 GPa.
  • Young's moduli the thermalization of the springs is important in order to preserve their mechanical properties.
  • the spring even not filled with a fluid, is therefore configured to absorb more intense forces than a spring with a lower Young's modulus, for example a spring in the hollow core would be rubber-based.
  • the material is a steel.
  • the material is an alloy of nickel, chromium and iron, for example an Inconel® alloy such as Inconel® 718.
  • the spring is configured so as to ensure a spring function even when it is not traversed by the heat transfer fluid.
  • the turns do not touch in the absence of a force applied to the spring.
  • a portion of the body for example a portion of a turn, can be at least partially embedded in the dish.
  • a portion of a turn can pass through the cup.
  • the cup can be thermalized with the body of the spring.
  • the term mobile corresponds to a rotational movement or to a translational movement or even to a combination of movements, for example the combination of a rotation and a translation.
  • a one-piece, or equivalently monolithic, unit part cannot therefore be made up of two separate parts.
  • the term "united" used to qualify the connection between two parts means that the two parts are linked/fixed with respect to each other, according to all the degrees of freedom, except if is explicitly specified differently. For example, if it is indicated that two parts are integral in translation along an x direction, this means that the parts can be movable relative to each other, possibly according to several degrees of freedom, excluding the freedom in translation along the direction x. In other words, if we move one part in the x direction, the other part performs the same movement.
  • An element “based” on a material A is understood to mean an element comprising this material A, and possibly comprising other materials.
  • a parameter “substantially equal to/greater than/less than” a given value means that this parameter is equal to/greater than/less than the given value, to within plus or minus 10%, or even within plus or minus 5%, of this value.
  • the springs T of the state of the art are manufactured by drawing a solid metal wire, forming the body 10', then bending or winding this wire to form the turns 100' around a central axis.
  • Coils 100' together form an outer shape of the spring, referred to as outer shell 12'.
  • State-of-the-art springs T have an outer casing 12' of cylindrical shape, as illustrated in FIG. 1A, or conical, as illustrated in FIG. 1B.
  • These springs T have a standard elastic behavior, in which the restoring force exerted by the spring evolves proportionally with the deformation or the loading of the spring 1'.
  • the return force generated changes proportionally with the reduction in the length of the spring 1'.
  • FIG. 2A a compression of the spring T in a direction parallel to its central axis A, from a length L o to the lengths L ⁇ L 8 and L g , and therefore the reductions in the length of the spring successively si , s 8 and s 9 , induce the generation of restoring forces F8 and Fg .
  • the return force generated changes proportionally with the reduction in the length of the spring 1'.
  • thermally constraining environment is for example an environment whose temperature leads to a deterioration of the mechanical properties of the spring free of thermal regulation means, for example of its elastic live resistance, its resilience and its endurance vis-à-vis alternating forces.
  • the environment of the spring can include the atmosphere surrounding it and/or parts in direct or indirect contact with the spring.
  • a thermally restrictive environment of high temperature has a temperature close to the spring greater than 200°C, preferably greater than 300°C, preferably greater than 400°C, and more preferably still greater than 500°C.
  • a thermally constraining environment of low temperature has a temperature close to the spring of less than -50° C., preferably less than -100° C., preferably less than -150° C., and more preferably still less than - 200°C.
  • the spring 1 comprises a body 10, forming turns 100, having a hollow core 11 extending at least along the turns 100.
  • hollow core extends between an inlet 101 and an outlet 102 of the body 10.
  • the body 10 thus forms a wall delimiting the hollow core 11 between the inlet 101 and the outlet 102.
  • the hollow core 11 defines a circulation volume of a heat transfer fluid inside the turns 100.
  • the hollow core 11 may be intended to contain only the heat transfer fluid.
  • the hollow core 11 is preferably free of solid and/or static material.
  • the spring is configured so that a heat transfer fluid enters the hollow core 11 through the inlet 101, circulates in the hollow core 11 and leaves the hollow core 11 through the outlet 102.
  • the spring 1 is configured to be tempered by a heat transfer fluid. More particularly, the material or materials forming the spring 1 can be tempered with respect to the temperature of the environment of the spring 1. Thus, the mechanical properties of the spring can be preserved over a wide temperature range.
  • the spring 1 can be heated by the heat transfer fluid. Thus, embrittlement and/or breakage of the spring can in particular be avoided.
  • the spring 1 can be cooled by the heat transfer fluid. Thus, a decrease in the elastic limit of the spring 1 can in particular be avoided.
  • At least one spring 1 may be included in a damping system 2, described with reference to FIG. 4.
  • the damping system 2 comprises a spring 1.
  • the system 2 d damping comprises a device 22 for circulating a heat transfer fluid.
  • the device 22 for circulating the heat transfer fluid is fluidly connected to the spring 1 and configured to circulate the heat transfer fluid inside the spring 1.
  • the damping system 2 may comprise a fluid supply conduit 20 of the fluid heat transfer fluid to the spring 1, and a fluid conduit 21 for discharging the heat transfer fluid from the spring 1.
  • each fluid conduit 20, 21 can be formed from one or a plurality of pipes.
  • the device 22 for circulating the heat transfer fluid can also be configured to modulate the temperature of the heat transfer fluid prior to its circulation in the hollow core 11.
  • the circulation device 22 may comprise a means for heating and/or cooling the fluid, for example a heat exchanger.
  • the system 2 can also comprise at least one sensor for measuring a temperature which is a function of the temperature of the body 10 of the spring 1.
  • a sensor can measure the temperature of the fluid at the inlet 101 or at the outlet 102 of the body 10.
  • the sensor can also measure the temperature of one of the fluid conduits 20, 21.
  • the system 2 is then configured to regulate the temperature of the body 10 of the spring 1 according to the measured temperature.
  • the system 2 can for example vary the flow rate of the heat transfer fluid, or vary the temperature of the heat transfer fluid at the inlet 101 of the body 10 of the spring 1. In situ regulation of the temperature of the body 10 of the spring 1 is thus permitted.
  • the damping system 2 can form a closed fluidic circuit, so that the heat transfer fluid circulates in a loop between the circulation device 22 and the spring 1.
  • the circulation device 22 can be configured to induce the movement of the heat transfer fluid in the closed circuit.
  • the circulation device 22 can for example comprise a means for pressurizing the fluid, for example a pump.
  • the heat transfer fluid having been heated or cooled following its circulation in the hollow core 11, the circulation device 22 may comprise, alternatively or in addition, a heat exchanger configured to bring the temperature of the fluid back to its initial temperature before circulation in the hollow core 11.
  • a temperature difference of the heat transfer fluid between the inlet 101 and the outlet 102 of the spring 1 it is understood that the displacement of the heat transfer fluid can be induced by thermal convection, without requiring a means of setting under fluid pressure.
  • the damping system 2 can form an open or closed fluidic circuit and comprising a heat transfer fluid reservoir.
  • the heat-transfer fluid can be supplied to the inlet 101 of the spring 1 by the fluid supply conduit 20 and be evacuated to the outlet 102 of the spring 1, for example by the evacuation conduit 21, without being subsequently resupplied to the spring 1 or passing through a reservoir.
  • the circulation device 22 can then be configured to induce the movement of the heat transfer fluid in the fluidic circuit.
  • the circulation device 22 can for example comprise a pressurizing means fluid, for example a pump or a pressurized fluid circuit such as the running water network, typically at a pressure of substantially 4 bars.
  • the device 22 for circulating the heat transfer fluid can be chosen according to the nature of the fluid and the temperature of the environment of the spring 1.
  • the heat transfer fluid is a fluid in the gaseous and/or liquid state which, by its physical properties, makes it possible to transport heat from one point to another.
  • the heat transfer fluid can be a gas, such as nitrogen, helium, air, carbon dioxide and water vapour. These fluids have a recoverable heat transfer capacity for use at very high temperatures, for example a temperature above 350°C.
  • the heat transfer fluid can be an organic fluid such as a mineral or synthetic oil, or a halogenated fluid such as a perfluorocarbon (commonly abbreviated as PFC) or a hydrofluoroether. (commonly abbreviated HFE).
  • PFC perfluorocarbon
  • HFE hydrofluoroether
  • Organic and halogenated fluids advantageously have high dielectric strength and low volatility.
  • the heat transfer fluid can be a molten salt or a liquid metal.
  • the circulation device 22 can be configured to adapt the flow rate of the heat transfer fluid in the spring 1.
  • the heat transfer fluid is water
  • the water is transformed into vapor above the temperature couple and pressure defining its boiling point.
  • the flow of water can be increased to prevent its vaporization, and allow the maximum thermal energy to be extracted from spring 1.
  • the damping system may comprise a device for recovering the heat transfer fluid and/or the thermal energy of the heat transfer fluid after circulation of the heat transfer fluid in the hollow core 11 of the body 10 of the spring 1.
  • the recovery device can be configured to collect the heat transfer fluid at the outlet 102 of the spring 1, or at the outlet of the fluid evacuation conduit 21.
  • the heat transfer fluid can then be used for its recovery, for example by being injected into another system.
  • the heat transfer fluid is water in the form of vapor at least after circulation in the hollow core 11 of the spring 1, the water vapor can be routed to be injected into another system, comprising for example a turbine.
  • the recovery device can be configured to recover the thermal energy of the heat transfer fluid, and in particular without taking the heat transfer fluid.
  • the recovery device can be configured to recover the thermal energy of the heat-transfer fluid at the outlet 102 of the spring 1, or at the level of the fluid evacuation conduit 21.
  • the recovery device can for example be a heat exchanger.
  • the inlet 101 of the body 10 of the spring can be configured to cooperate with the fluidic conduit 20 for supplying the heat transfer fluid inside the hollow core 11.
  • the outlet 102 can be configured to cooperate with the fluidic conduit for evacuation 21 of the heat transfer fluid outside the hollow core 11.
  • the inlet 101 and/or the outlet 102 each have a fluidic connection portion 101a, 102a with a fluidic conduit 20, 21, as illustrated for example by FIG. 4.
  • at least one, or even each, fluidic connection portion 101a, 102a can comprise a thread, a quick connector, a fixing groove for a ring or a collar, a connector double ferrule and a fitting with sealing by metal gasket, for example a VCR® fitting.
  • at least one, or even each, fluidic connection portion 101a, 102a can comprise a quick connector, for example of the StaubliTM type.
  • the hollow core 11 extends substantially over at least 70%, preferably 80%, preferably 90% of the length of the body 10 of the spring 1, and even more preferably over the entire length of the spring 1. The longer the length of the hollow core 11 is compared to the length of the body 10 of the spring 1, the more the thermalization of the spring 1 is facilitated.
  • the cross section S of the hollow core 11 may have at least one dimension determined according to the force to be exerted by the spring 1, and/or the amplitude of the spring 1, and/or the material(s) constituting it.
  • the cross section of the hollow core may have at least one internal dimension of between 1.5 and 6 mm.
  • the inlet 101 and the outlet 102 can each be arranged at one end 10a, 10b of the body 10 of the spring 1, as illustrated by FIG. 3.
  • the body 10 can form turns 100 over substantially its entire length.
  • the turns 100 can be formed along a portion of the body 10, and the body 10 can comprise a supply portion 103 of the coolant fluid upstream of the turns 100 and / or an evacuation portion 104 of the heat transfer fluid downstream of the turns 100.
  • the supply portion 103 and/or the evacuation portion 104 can extend in a direction substantially parallel to the central axis A of the spring 1
  • the supply portion 103 and/or the evacuation portion 104 can alternatively extend in a direction separate from the central axis A of the spring 1, for example substantially perpendicular to this axis.
  • the spring 1 can thus be configured so that the cooperation with the fluidic supply conduit 20 and/or with the fluidic evacuation conduit 21 is carried out at the ends of the turns 100.
  • the cooperation with the fluidic conduit of supply 20 and/or with the evacuation fluid conduit 21 can be made between the ends of the turns 100, in particular by means of the supply portion 103 and/or the evacuation portion 104.
  • the fluid supply conduit 20 and/or the inlet 101 of the spring can thus be moved away from a hot point in order to limit the heating of the heat transfer fluid prior to its circulation in the hollow core 11.
  • the body 10 of the spring 1 may have a circular cross section S.
  • the body 10 of the spring 1 may have a non-circular cross-section S, and preferably triangular (see for example Figure 5B), oval or elliptical (see for example Figure 5A ), oblong (see for example FIG. 5E), or polygonal (see for example FIG. 5C).
  • a polygonal shape can be rectangle, square, or a more complex polygon.
  • the shape of the cross section S can be adapted to modulate the mechanical properties of the spring 1, for example its elastic live strength and/or its stiffness constant.
  • a non-circular cross-section S and in particular an elliptical, square or rectangular cross-section, makes it possible to obtain a spring with a stiffness constant distinct from that of a spring with a circular cross-section S.
  • the cross section S can be taken along a plane perpendicular to the tangent to the body 10, for example to the outer wall of the body 10.
  • the section is taken along a radial plane, that is i.e. a plane containing the central axis A.
  • the shape of the cross section S can be adapted so as to promote a turbulent flow of the heat transfer fluid in the hollow core, and thus improve the extraction of thermal energy from the body 10 of the spring 1.
  • a variation of at least one dimension of the cross section S along at least a portion, preferably over substantially the entire length, of the body 10 of the spring 1 makes it possible to promote turbulent flow.
  • the shape of the cross section S is identical over the variation portion of at least one dimension of the cross section S. More particularly, the cross section S can be of circular shape over this portion. This variation can be occasional, for example a widening or narrowing of the cross section S, or preferably repeated, for example in the form of a plurality of narrowings or widening of the cross section S.
  • a cross section S may also have a shape, in particular a polygonal shape, suitable for the turns 100 to fit at least partially into each other, when the spring 1 is in a retracted configuration.
  • the bulk of the spring 1 can thus be reduced in its retracted configuration.
  • Figure 5C This example can be illustrated by Figure 5C.
  • the cross section of the body may be identical at least along the turns 100, or even over substantially the entire length of the body 10 spring 1.
  • the cross section S of the body 10 may be variable at least along the turns 100.
  • the spring 1 may have a cylindrical or conical outer casing 12 .
  • a spring 1 having a conical outer casing 12 can in particular deform more easily.
  • the spring 1 may have a non-cylindrical or non-conical outer casing 12.
  • the geometry of the spring 1 can thus be adapted to a geometrically constrained environment.
  • the shape of the outer casing 12 makes it possible to modulate the elastic deformation of the spring 1.
  • a non-conical outer casing 12 makes it possible to obtain a spring 1 which deforms less easily than a spring 1 having an outer casing conical.
  • the outer casing 12 can for example have two end portions and a central portion located between the two end portions.
  • the section of the central portion, taken perpendicular to the central axis A may be different from the section of the end portions, taken perpendicular to the central axis A. According to one example, the section of the central portion, taken perpendicular to the central axis A, may be less than the section of the end portions, taken perpendicular to the central axis A.
  • This shape can for example be described as a diabolo.
  • the spring 1 may further comprise at least one cup 13, configured to secure the spring 1 to one or more elements on which the return force generated by the spring 1 is exerted. It forms the interface between the body 10 of the spring 1 and an element kinematically coupled with the spring 1 such as a moving part or a frame, such as a frame.
  • the cup 13 can more particularly be a part on which a part, preferably an end of the body 10, bears during a compression of the spring 1.
  • the cup 13 is thus a fixing part.
  • the cup may have a circular shape.
  • the spring 1 can for example comprise two cupels 13, as illustrated by FIGS. 6A to 7. Each cupel 13 can be arranged at one end of the turns 100 of the spring 1, on either side of the turns 100 along the central axis A. In the following, it is considered as non-limiting that the spring 1 comprises two cups 13, each being arranged at one end of the turns 100 of the spring 1
  • Each cup 13 can be integral with a portion of the body 10 of the spring 1.
  • the cup 13 can be removably or permanently attached to the body 10, and fixed to the spring 1 for example by clipping, by screwing or by means of 'a necklace.
  • cup 13 and body 10 of spring 1 can form a monolithic assembly.
  • a portion of the body 10 can be at least partially embedded, or even pass through the cup 13.
  • the heat transfer fluid circulating in the hollow core 11, the cup 13 can therefore be thermalized with the body 10 of the spring 1.
  • each cup may be integral with a portion of at least one turn 100 of the spring 1. More particularly, this portion of a turn 100 may be partially embedded in the cup 13 at the level of an opening 130 on the face of the cup facing the turn 100, as illustrated by the sectional view 6B.
  • the body 10 can pass through the cup 13, for example in its thickness, through an opening such as a hole 131.
  • the supply portion 103 and the evacuation portion 104 each pass through a cup 13 distinct by openings 131, 132.
  • the openings 131, 132 may have a closed contour, as shown in Figures 6A, 6B. These openings 131, 132 may have a circular section outline. They then form a hole. Alternatively, these openings 131, 132 have a non-circular outline, for example an oblong outline. Alternatively, the openings 131, 132 have an open outline. This allows the portions 103, 104 to move, for example in a direction perpendicular to the central axis A. This movement can be useful during operation of the spring or during assembly of the body 10 with the cups 13.
  • the supply portion 103 and the evacuation portion 104 pass through the same cup 13.
  • at least one of the supply portion 103 and the evacuation portion 104 can have a degree of freedom in translation or in rotation or a combination of translation and rotation with respect to the cup 13.
  • the hole 132 has a greater external diameter to external diameter of the supply portion 103 so that the supply portion 103 slides in translation in the hole 132 in a direction parallel to the central axis A.
  • the supply portion and/or the evacuation portion is configured with its opening so that said portion has a degree of freedom at least in translation with the cup.
  • direct contact between the supply portion 103 and the cup 13 is reduced, or even absent, to minimize heating or cooling of the heat transfer fluid prior to its circulation in the hollow core 11.
  • the cup 13 can comprise a central opening 133, notably allowing its weight to be minimized.
  • the cup 13 can also comprise cooperation members 134 with one or more elements on which the return force generated by the spring 1 is exerted, as illustrated in FIG. 7.
  • the spring is based on at least one material.
  • a material can be a metal and/or a ceramic and/or a plastic material.
  • the spring is based on at least one metal.
  • the material has a Young's modulus greater than 100 GPa, and preferably greater than 150 GPa.
  • the material is a steel.
  • the material an alloy of nickel, chromium and iron, for example an Inconel® alloy such as Inconel® 718.
  • the Young's modulus of Inconel® 718 is substantially equal at 203 GPa
  • the Young's modulus of the steel commonly used in the field of springs is substantially equal to 181 GPa.
  • the Young's modulus of rubber is much lower, between 0.001 and 0.1 GPa.
  • Nickel-chromium-iron superalloys such as Inconel®718 (IN718), are low-cost nickel-based superalloys that are primarily used as a material for turbine disks. In terms of mechanical properties, these superalloys offer excellent thermal resistance - up to 700°C - and great resistance to oxidation and corrosion. It is also known for its excellent thermal resistance, high yield, good tensile and creep-rupture properties. This therefore makes them good materials for spring 1. These superalloys retain their heat resistance over a wide range of temperatures, making them a good candidate for high temperature or low temperature applications, all the more so in synergy with cooling by a heat transfer fluid.
  • the previously described characteristics of the spring 1 can be obtained by a process for manufacturing the spring by additive manufacturing, also referred to as three-dimensional (3D) printing.
  • the spring 1 is manufactured by successive addition of layers of material, which makes it possible to obtain the configurations described.
  • the spring can also be based on or made of one or more non-drawing materials.
  • the spring can be made of one or more materials that cannot be drawn and are more resistant to creep at high temperature than the materials used in the existing solutions.
  • the body 10 of the spring 1 can be based on or made of a nickel superalloy such as Inconel® 718, a titanium alloy such as the ta6v grade, an austenitic stainless steel such as the 310s grade.
  • the spring can be made of a less brittle material than those used in existing solutions, such as S460 grades of carbon-manganese, and A420F.M grades of carbon steel.
  • the choice of the material(s) constituting the spring 1 depends in particular on the return force to be exerted, the thermal environment of the spring 1 and other constraints such as the cost of the spring 1.
  • the body 10 of the spring 1, or even the spring 1, is preferably made of an alloy of the Inconel® type based on nickel in a proportion by mass of between 45% and 75%, of chromium in a proportion by mass substantially equal to 15% cobalt, molybdenum, tungsten, titanium, iron, and aluminum.
  • This alloy advantageously retains its mechanical properties up to approximately 400° C. to 500° C., without thermal regulation means.
  • Method 3 for manufacturing spring 1 is now described with reference to FIG. 8, in which dashed lines indicate optional variants of method 3.
  • Method 3 comprises selective densification of a powder bed or deposition 30 layer by layer of at least one material, preferably a metallic material, so as to form the spring 1 according to the characteristics previously described.
  • Sequential deposition of the material layer by layer may include extrusion or solidification of metal powder, polymer and polymer wire.
  • the deposited material can be solidified 300 during the deposition 30 layer by layer.
  • the solidification 300 of the material can be the subject of a separate step of cooling or of chemical treatment, for example by polymerization.
  • the densification of the powder bed can be carried out selectively using an energy source, for example a laser source, a resistor, an electron beam, or UV light.
  • method 3 may include a step 31 of designing a three-dimensional digital model of spring 1. Following deposition 30, method 3 may include finishing treatment 32. Finishing treatment 32 may be a mechanical treatment, for example by sanding, or thermal treatment, for example by baking. The method may also include any step allowing a previously described characteristic of the spring 1 to be obtained. The method may include a step of checking and comparing 33 the spring 1 obtained with respect to its digital model.
  • the 3D printing process can be adapted according to the spring 1, for example according to the size of the spring 1 and according to the constituent material(s) of the spring.
  • the stiffness constant of the spring 1 referred to can be determined thanks to a finite element elastic calculation .
  • Longitudinal compression of a spring 1 made of Inconel® 718 is for example simulated for an ambient thermal environment, without circulation of a heat transfer fluid.
  • the hot calculation for a constraining thermal environment, can be made by taking into account the expansions of the spring and taking into account the drop in stiffness of the material with temperature. It is checked that the maximum stress does not exceed the creep limit.
  • the spring 1 can be configured in such a way as to avoid, for a given crushing, a creep of the material.
  • the invention proposes a solution making it possible to effectively improve the performance of a spring in a thermally restrictive environment.

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Abstract

L'invention concerne ressort (1) élastique comprenant un corps (10) formant des spires (100) à base d'au moins un métal. Le corps (10) présente une âme creuse (11) s'étendant au moins le long des spires (100), entre une entrée (101) et une sortie (102) du corps (10), l'âme creuse (11) définissant un volume de circulation d'un fluide caloporteur à l'intérieur des spires (100), le ressort (1) étant configuré de sorte qu'un fluide caloporteur entre dans l'âme creuse (11) par l'entrée (101) du corps (10), circule dans l'âme creuse (11) et sort de l'âme creuse (11) par la sortie (102) du corps (10). Le ressort (1) étant apte à être tempéré par un fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ses spires (100), une détérioration de ses propriétés mécaniques avec la température est limitée, voire évitée, notamment dans un environnement thermiquement contraignant.

Description

« Ressort élastique à spires, système d’amortissement et procédé de fabrication associés »
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine des ressorts à spires. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse mais non limitative le domaine des systèmes amortisseurs, par exemple pour l’automobile, et/ou pour des équipements industriels.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Un ressort est un organe élastique capable de supporter d'importantes déformations par rapport à une configuration initiale. Un ressort est destiné, après déformation ou chargement, à exercer une force de rappel, par exemple de flexion, de tension, de compression, de torsion pour tendre vers sa configuration initiale. Typiquement, les ressorts sont destinés à amortir un choc par absorption d'énergie, et produire un mouvement en restituant l'énergie emmagasinée ou encore exercer un effort statique après avoir été déformé.
On cherche généralement à ce qu’un ressort soit apte à se déformer élastiquement sans subir de déformation plastique. Ceci peut se traduire par la notion de « résistance vive élastique » du matériau. Le matériau de ressort est caractérisé par : Re2/(2E), Re étant la limite d'élasticité et E le module de Young de ce matériau. Cette valeur est typiquement élevée pour les matériaux adaptés à la fabrication de ressort. En outre, il est préférable qu’une haute résistance vive élastique s'accompagne d'une bonne résilience et d'une bonne endurance vis-à-vis des efforts alternés.
Les propriétés mécaniques d’un ressort dépendent de la température de leur environnement d’utilisation. Afin d’adapter les propriétés des ressorts en fonction de cette température, les solutions existantes prévoient de choisir un matériau présentant des propriétés mécaniques suffisantes à cette température.
Dans le cadre de la présente invention, nous nous intéressons plus particulièrement aux ressorts à spires. Ces ressorts comprennent un corps en hélice formant des spires.
Il est connu des ressorts à spires faits d’acier. Une première famille d’aciers utilisés pour les ressorts est celle des aciers mangano-siliceux, comprenant éventuellement un peu de chrome, de tungstène, de molybdène ou de vanadium. Il existe par ailleurs des ressorts fait d’acier au chrome, pouvant en outre comprendre du vanadium, du manganèse ou du silicium-molybdène. L'élinvar, un alliage de fer, de nickel, de chrome et de manganèse, présente un module de Young indépendant de la température. Il sert à la fabrication de ressorts destinés à des appareils de précision (galvanomètres, sismographes, chronomètres, diapasons, etc.), le ressort étant peu sensible aux variations de températures.
Les performances des ressorts à base d’acier sont limitées dans un environnement thermiquement contraignant. Aux très basses températures, par exemple de -150° à -200°C, les aciers sont fragiles et cassant. En outre, la limite d'élasticité des aciers diminue lorsque la température s'élève.
Il est par ailleurs connu des ressorts fait de cuivre au béryllium. Cet alliage permet de réaliser des ressorts très bons conducteurs de l'électricité et de la chaleur, et présentant une bonne endurance. Les performances de ces ressorts restent toutefois limitées dans un environnement thermiquement contraignant, notamment à partir de 250°C.
Pour les hautes températures, par exemple jusqu’à 400°C, voire 500°C, il est connu des ressorts fait d’alliages de type Inconel® à base de nickel et d’aluminium. Ces ressorts conservent leurs propriétés mécaniques jusqu'à 400°C, voire 500°C. Au- delà de 500°, les propriétés mécaniques de ces ressorts se détériorent plus la température augmente. La détérioration des propriétés mécanique est également observée aux très basses températures, par exemple autour de -150 à -200°C.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution visant à améliorer les performances d’un ressort sur une large gamme de température.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une solution visant à améliorer les performances d’un ressort en environnement thermiquement contraignant.
A titre non-limitatif, un autre objet de la présente invention est de proposer une solution visant à faciliter l’amortissement d’un système sur une large gamme de température, et notamment en environnement thermiquement contraignant.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit un ressort élastique comprenant un corps formant des spires, par exemple à base d’au moins un métal.
Avantageusement, le corps présente une âme creuse s’étendant au moins le long des spires, entre une entrée et une sortie du corps, l’âme creuse définissant un volume de circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur des spires, le ressort étant configuré de sorte qu’un fluide caloporteur entre dans l’âme creuse par l’entrée du corps, circule dans l’âme creuse et sort de l’âme creuse par la sortie du corps.
Ainsi, le ressort est apte à être tempéré par un fluide caloporteur circulant à l’intérieur de ses spires. Le fait de tempérer le ressort permet de limiter, voire d’éviter, une détérioration de ses propriétés mécaniques avec la température, et notamment dans un environnement thermiquement contraignant.
Par ailleurs, puisqu’elle permet de tempérer le ressort et donc de le faire fonctionner sur une large gamme de température, la solution proposée permet de réduire les contraintes habituellement imposées concernant le choix du matériau constituant les spires. L’invention permet ainsi de choisir des matériaux dont les caractéristiques, par exemple en termes de limite d’élasticité ou de coût, répondent aux besoins souhaités, quand bien même ces matériaux n’auraient pas pu être retenus en l’absence de refroidissement du ressort.
En effet, et comme discuté ci-dessus, les solutions recherchées par l’art antérieur pour améliorer les performances des ressorts dans un environnement thermiquement contraignant, concernent toutes l’utilisation de matériaux spécifiques. Ces matériaux présentent souvent des inconvénients en termes de coûts ou de capacité de mise en forme pour la production du ressort.
À performances mécaniques égales, l’invention proposée permet ainsi de réduire le coût des ressorts.
Le ressort est particulièrement adapté à un environnement à très haute température, par exemple à une température supérieure à 500°C. Le ressort peut ainsi être intégré dans des ensembles fonctionnant à très haute température, tels que des fours et des équipements de sidérurgie. Ceci est également valable pour les basses températures, par exemple autour de -150°C à -200°C. La circulation du fluide caloporteur dans l’âme creuse 11 permet en effet de réchauffer le ressort sur le même principe.
Tempérer le ressort offre une alternative ou un complément à l’adaptation du matériau à la température de l’environnement. Un même ressort peut être adapté à une gamme étendue de températures, et donc à de nombreuses applications.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un système d’amortissement comprenant : au moins un ressort élastique selon le premier aspect, un dispositif de mise en circulation d’un fluide caloporteur, fluidiquement connecté au ressort et configuré pour mettre en circulation un fluide caloporteur à l’intérieur du ressort.
Selon un exemple, le dispositif de mise en circulation du fluide caloporteur comprend au moins l’un parmi une pompe, un circuit fluidique sous pression et un échangeur thermique. Selon un exemple, le dispositif de mise en circulation du fluide caloporteur comprend un circuit fermé comprenant un échangeur thermique. Selon un exemple, le système d’amortissement comprend le fluide caloporteur.
Selon un exemple, le système d’amortissement comprend un dispositif de récupération du fluide caloporteur et/ou d’une énergie thermique du fluide caloporteur après circulation du fluide caloporteur dans l’âme creuse du ressort. Selon un exemple, le dispositif de récupération du fluide est configuré pour injecter le fluide caloporteur dans un autre système après circulation du fluide caloporteur dans l’âme creuse du ressort. Cela permet ainsi de valoriser le fluide caloporteur, et par exemple de récupérer son énergie thermique, suite à la thermalisation du ressort.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication du ressort selon le premier aspect, par fabrication additive. Le procédé de fabrication additive comprend un dépôt couche par couche d’au moins un matériau, de préférence d’au moins un matériau, par exemple métallique, de façon à former un ressort élastique comprenant un corps formant des spires, de préférence à base dudit matériau, présentant une âme creuse s’étendant au moins le long des spires, entre une entrée et une sortie du corps, l’âme creuse définissant un volume de circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur des spires, le ressort étant configuré de sorte qu’un fluide caloporteur entre dans l’âme creuse par l’entrée du corps, circule dans l’âme creuse et sort de l’âme creuse par la sortie du corps.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
Les figures 1A et 1 B représentent chacune une vue de face d’un ressort de l’état de la technique.
La figure 2A représente schématiquement la force en chargement axial d’un ressort de l’état de la technique, en compression.
La figure 2B représente schématiquement la force en chargement angulaire d’un ressort de l’état de la technique, en rotation.
La figure 3 représente une vue de face d’un ressort selon un exemple de réalisation.
La figure 4 représente une vue de face d’un système d’amortissement à section transversale cylindrique, selon un exemple de réalisation.
Les figures 5A à 5C et 5E représentent chacune une vue de face d’un ressort à section transversale non-cylindrique, selon quatre exemples de réalisation.
La figure 5D représente une vue de face d’un ressort présentant une enveloppe externe en forme de diabolo.
Les figures 5F et 5G représentent une vue respectivement de face et du dessus d’un ressort en torsion à section transversale non-cylindrique.
Les figures 6A et 6B représentent une vue respectivement de face et en coupe d’un ressort comprenant une coupelle, selon un exemple de réalisation.
La figure 7 représente une vue de face d’un ressort comprenant une coupelle, selon un autre exemple de réalisation.
La figure 8 représente schématiquement les étapes du procédé d’impression selon un exemple de réalisation de l’invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles du ressort selon le premier aspect de l’invention, qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
Selon un exemple, l’âme creuse est exempt d’un matériau solide et/ou statique.
Selon un exemple, l’âme creuse est destinée à contenir uniquement le fluide caloporteur.
Selon un exemple, l’entrée est configurée pour coopérer avec un conduit fluidique d’amenée du fluide caloporteur à l’intérieur de l’âme creuse.
Selon un exemple, la sortie est configurée pour coopérer avec un conduit fluidique d’évacuation du fluide caloporteur à l’extérieur de l’âme creuse.
Selon un exemple, l’entrée et la sortie présentent chacune une portion de connexion fluidique avec un conduit fluidique.
Selon un exemple, chaque portion de connexion fluidique comprend l’un parmi un filetage, un raccord rapide, une gorge de fixation d’une bague ou d’un collier, un raccord double bague et un raccord à étanchéité par joint métallique, par exemple de type VCR®.
Selon un exemple, l’entrée et la sortie sont chacune disposée à une extrémité du corps du ressort, distincte l’une de l’autre.
Selon un exemple, la section transversale du corps est circulaire au moins le long d’une portion des spires.
Selon un exemple, la section transversale du corps est non-circulaire au moins le long d’une portion des spires et de préférence triangulaire, ovale, oblongue, elliptique ou polygonale.
Selon un exemple, la section transversale du corps est identique au moins le long des spires, voire sur sensiblement toute la longueur du corps du ressort.
Selon un exemple, la section transversale du corps est variable au moins le long des spires, voire sur sensiblement toute la longueur du corps du ressort. Ainsi, le ressort présente des propriétés mécaniques non-standard en compression/traction et/ou en rotation. Selon un exemple, la section transversale du corps est configurée de sorte que les spires s’emboîtent au moins partiellement les unes dans les autres, lorsque le ressort est dans une configuration rétractée. Ainsi, l’encombrement du ressort est minimisé dans sa position rétractée.
Selon un exemple, la section transversale du corps est configurée pour favoriser un écoulement turbulent du fluide caloporteur dans l’âme creuse. L’extraction de l’énergie thermique du corps du ressort est ainsi améliorée.
Selon un exemple, pour favoriser un écoulement turbulent du fluide caloporteur dans l’âme creuse, le corps présente une variation d’au moins une dimension de la section transversale S le long d’au moins une portion, par exemple le long des spires, de préférence sur sensiblement toute la longueur du corps du ressort, de façon à favoriser un écoulement turbulent. Par exemple, le corps présente plusieurs rétrécissements, de préférence ponctuels, de la section transversale le long d’au moins une portion, de préférence sur sensiblement toute la longueur, du corps du ressort. Le corps peut donc présenter une alternance de section transversale restreintes et de section transversales de surface supérieure. Les rétrécissements de la section transversale le long d’au moins une portion peuvent être séparés entre eux par une distance sensiblement constante.
Selon un exemple alternatif ou complémentaire, pour favoriser un écoulement turbulent du fluide caloporteur dans l’âme creuse, une solution repose sur la formation d’une âme en hélice en tourbillon (« swirl ») et pivotant autour de l’axe central du ressort. La section transversale S le long d’au moins une portion, par exemple le long des spires, de préférence sur sensiblement toute la longueur du corps du ressort, est non circulaire et pivote sur elle-même. La section transversale est de façon équivalente pivotée en rotation autour d’un axe central de l’âme creuse, le long de ladite portion.
Selon un exemple, les spires forment ensemble une forme, désignée enveloppe externe, non cylindrique ou conique, par exemple l’enveloppe externe est en forme de diabolo.
Selon un exemple, l’enveloppe externe présente deux portions d'extrémité et une portion centrale située entre les deux portions d’extrémités, la section de la portion centrale étant inférieure à la section au niveau des portions d'extrémité.
Selon un exemple, le ressort comprend au moins une coupelle solidaire d’une portion du ressort.
Selon un exemple, l’au moins une coupelle et le corps forment un ensemble monolithique. Selon un exemple, la coupelle présente au moins une ouverture, le corps présentant au moins une portion qui s’étend à travers l’au moins une ouverture, l’ouverture et l’au moins une portion étant configurées de façon à permettre un mouvement relatif de la coupelle et de ladite portion au moins en translation.
Selon un exemple, la coupelle présente au moins une ouverture, le corps présentant au moins une portion qui s’étend à travers l’au moins une ouverture, les dimensions respectives de l’ouverture et de la portion étant configurées pour permettre un mouvement relatif de la coupelle et de la portion au moins en translation.
Selon un exemple, le corps comprend une portion d’amenée du fluide caloporteur en amont des spires et/ou une portion d’évacuation du fluide caloporteur en aval des spires.
Selon un exemple, la portion d’amenée et la portion d’évacuation traversent une même coupelle par chacune une ouverture. Les entrées et sorties de fluide sont donc localisées d’un même côté du ressort, et plus particulièrement à travers la coupelle. L’autre côté du ressort peut ainsi être exempt de conduit fluidique. Sa coopération avec un ensemble mécanique amorti par le ressort est donc simplifiée.
Selon un exemple, au moins une parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation est configurée avec son ouverture de sorte que ladite portion présente un degré de liberté au moins en translation avec la coupelle, ou de façon équivalente de façon à permettre le mouvement relatif au moins en translation de ladite portion avec la coupelle. Ainsi, en synergie avec la caractéristique selon laquelle la portion d’amenée et la portion d’évacuation traversent une même coupelle par chacune une ouverture, la coopération du ressort avec un ensemble mécanique amorti est simplifiée tout en permettant la déformation du ressort par coulissement de la coupelle sur la portion d’amenée et/ou d’évacuation.
Selon un exemple, une seule parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation est configurée avec son ouverture de façon à permettre le mouvement relatif au moins en translation de ladite portion avec la coupelle. L’autre parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation peut être solidaire de son ouverture.
Selon un exemple, la portion d’amenée et la portion d’évacuation sont configurées avec leur ouverture respective de façon à permettre le mouvement relatif au moins en translation de chaque portion avec la coupelle.
Selon un exemple, l’au moins une ouverture présente un diamètre externe supérieur au diamètre externe de l’au moins une portion s’étendant à travers, de sorte que ladite portion coulisse en translation dans l’ouverture. Ainsi, un contact direct entre la portion et la coupelle est réduit, voire est absent. Lorsque la portion est la portion d’amenée, le réchauffement ou le refroidissement du fluide caloporteur préalablement à sa circulation dans l’âme creuse est minimisé, voire évité. La thermalisation du ressort est ainsi encore améliorée. Lorsque la portion est la portion d’évacuation, le réchauffement ou le refroidissement du fluide caloporteur après à sa circulation dans l’âme creuse est minimisé, voire évité. Ceci est particulièrement avantageux pour une récupération de l’énergie thermique du fluide caloporteur suite à sa circulation dans l’âme creuse. Selon un exemple, la portion d’amenée et la portion d’évacuation s’étendent selon une direction sensiblement parallèle à l’axe central A du ressort. Selon un exemple, le mouvement relatif de translation est sensiblement parallèle à l’axe central A.
Selon un exemple, le ressort est à base ou fait d’au moins un matériau pris parmi un métal, une céramique ou un matériau plastique, de préférence autre le caoutchouc.
Selon un exemple, le matériau présente un module de Young supérieur à 100 GPa, et de préférence supérieur à 150 GPa. Pour ces modules de Young, la thermalisation des ressorts est importante afin de conserver leurs propriétés mécaniques. Le ressort, même non empli d’un fluide est donc configuré pour amortir des efforts plus intenses qu’un ressort de module d’Young inférieur, par exemple un ressort dans l’âme creuse serait à base de caoutchouc.
Selon un exemple le matériau est un acier.
Selon un exemple, le matériau un alliage de nickel, de chrome et de fer, par exemple un alliage Inconel® tel que l’Inconel® 718.
Selon un exemple, le ressort est configuré de sorte à assurer une fonction de ressort même lorsqu’il n’est pas parcouru par le fluide caloporteur.
Selon un exemple, les spires ne se touchent pas en l’absence d’un effort appliqué sur le ressort.
Selon un exemple, une portion du corps, par exemple une portion d’une spire, peut être au moins partiellement encastrée dans la coupelle. Selon un exemple, une portion d’une spire, peut traverser la coupelle. Ainsi, la coupelle peut être thermalisée avec le corps du ressort.
Dans la suite de la description, le terme « sur » ne signifie pas nécessairement « directement sur ». Ainsi, lorsque l’on indique qu’une pièce ou qu’un organe A est en appui « sur » une pièce ou un organe B, cela ne signifie pas que les pièces ou organes A et B soient nécessairement en contact direct avec l’autre. Ces pièces ou organes A et B peuvent être soit en contact direct soit être en appui l’une sur l’autre par l’intermédiaire d’une ou plusieurs autres pièces. Il en est de même pour d’autres expressions telle que par exemple l’expression « A agit sur B » qui peut signifier « A agit directement sur B » ou « A agit sur B par l’intermédiaire d’une ou plusieurs autres pièces».
Dans la présente demande de brevet, le terme mobile correspond à un mouvement de rotation ou à un mouvement de translation ou encore à une combinaison de mouvements, par exemple la combinaison d’une rotation et d’une translation.
Dans la présente demande de brevet, lorsque l’on indique que deux pièces sont distinctes, cela signifie que ces pièces sont séparées. Elles peuvent être : positionnées à distances l’une de l’autre, et/ou mobiles l’une par rapport à l’autre et/ou solidaires l’une de l’autre en étant fixées par des éléments rapportés, cette fixation étant démontable ou non.
Une pièce unitaire monobloc, ou de façon équivalente monolithique, ne peut donc pas être constituée de deux pièces distinctes.
Dans la présente demande de brevet, le terme « solidaire » utilisé pour qualifier la liaison entre deux pièces signifie que les deux pièces sont liées/fixées l’une par rapport à l’autre, selon tous les degrés de liberté, sauf s’il est explicitement spécifié différemment. Par exemple, s’il est indiqué que deux pièces sont solidaires en translation selon une direction x, cela signifie que les pièces peuvent être mobiles l’une par rapport à l’autre, possiblement selon plusieurs degrés de liberté, à l’exclusion de la liberté en translation selon la direction x. Autrement dit, si on déplace une pièce selon la direction x, l’autre pièce effectue le même déplacement.
Dans la description détaillée qui suit, il pourra être fait usage de termes tels que « longitudinal », « transversal », « intérieur », « extérieur ». « amont », « aval ». Ces termes doivent être interprétés de façon relative en relation avec la position normale d’utilisation du ressort et la direction normale d’écoulement du fluide caloporteur dans l’âme creuse. Par exemple, la notion de « longitudinal » correspondent à une direction sensiblement parallèle à l’axe central A.
On entend par un élément « à base » d’un matériau A, un élément comprenant ce matériau A, et comprenant éventuellement d’autres matériaux.
On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur. De façon générale, les ressorts T de l’état de la technique sont fabriqués par tréfilage d’un fil métallique plein, formant le corps 10’, puis cintrage ou bobinage de ce fil pour former les spires 100’ autour d’un axe central A. Les spires 100’ forment ensemble une forme externe du ressort, désignée enveloppe externe 12’. Les ressorts T de l’état de la technique présentent une enveloppe externe 12’ de forme cylindrique, comme illustré en figure 1A, ou conique, comme illustré en figure 1 B.
Ces ressorts T présentent un comportement élastique standard, dans lequel la force de rappel exercée par le ressort évolue proportionnellement avec la déformation ou le chargement du ressort 1’. Selon l’exemple illustré en figure 2A, une compression du ressort T selon une direction parallèle à son axe central A, d’une longueur Lo aux longueurs L^ L8 et Lg, et donc les réductions de la longueur du ressort successivement s-i , s8 et s9, induit la génération des forces de rappel F8 et Fg. La force de rappel générée évolue proportionnellement avec la réduction de la longueur du ressort 1’. Selon l’exemple illustré en figure 2B, une compression du ressort T selon un mouvement de rotation autour de l’axe central A, d’une amplitude angulaire c puis a8, induit la génération des forces de rappel de moment h/L et M8. La force de rappel générée évolue proportionnellement avec l’amplitude angulaire de compression du ressort T.
Dans un environnement thermiquement contraignant, les ressorts T de l’état de la technique présentent des propriétés mécaniques limitées. Un environnement thermiquement contraignant est par exemple un environnement dont la température entraîne une détérioration des propriétés mécaniques du ressort exempt de moyen de régulation thermique, par exemple de sa résistance vive élastique, de sa résilience et de son endurance vis-à-vis des efforts alternés. L’environnement du ressort peut comprendre l’atmosphère l’entourant et/ou des pièces en contact direct ou indirect avec le ressort. Selon un exemple, un environnement thermiquement contraignant de haute température présente une température à proximité du ressort supérieure à 200°C, de préférence supérieure à 300°C, de préférence supérieure à 400°C, et plus préférentiellement encore supérieure à 500°C. Selon un exemple, un environnement thermiquement contraignant de basse température présente une température à proximité du ressort inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -100°C, de préférence inférieure à -150°C, et plus préférentiellement encore inférieur à -200°C.
Le ressort selon le premier aspect de l’invention est maintenant décrit en référence à la figure 3. Afin de de limiter, voire d’éviter, une détérioration des propriétés mécaniques du ressort 1 , le ressort 1 comprend un corps 10, formant des spires 100, présentant une âme creuse 11 s’étendant au moins le long des spires 100. L’âme creuse s’étend entre une entrée 101 et une sortie 102 du corps 10. Le corps 10 forme ainsi une paroi délimitant l’âme creuse 11 entre l’entrée 101 et la sortie 102. L’âme creuse 11 définit un volume de circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur des spires 100. L’âme creuse 11 peut être destinée à contenir uniquement le fluide caloporteur. L’âme creuse 11 est de préférence exempt d’un matériau solide et/ou statique. Le ressort est configuré de sorte qu’un fluide caloporteur entre dans l’âme creuse 11 par l’entrée 101, circule dans l’âme creuse 11 et sort de l’âme creuse 11 par la sortie 102.
Ainsi, le ressort 1 est configuré pour être tempéré par un fluide caloporteur. Plus particulièrement, le ou les matériaux formant le ressort 1 peuvent être tempérés par rapport à la température de l’environnement du ressort 1. Ainsi, les propriétés mécaniques du ressort peuvent être conservées sur une large gamme de température. Lorsque le ressort est destiné à être actionné dans un environnement à une température inférieure à la température optimale de fonctionnement du ressort 1 exempt de moyens de régulation thermique, le ressort 1 peut être réchauffé par le fluide caloporteur. Ainsi, une fragilisation et/ou une rupture du ressort peuvent notamment être évitées. Lorsque le ressort est destiné à être actionné dans un environnement à une température supérieure à la température optimale de fonctionnement du ressort 1 exempt de moyens de régulation thermique, le ressort 1 peut être refroidi par le fluide caloporteur. Ainsi, une diminution de la limite d’élasticité du ressort 1 peut notamment être évitée.
Au moins un ressort 1 peut être compris dans un système 2 d’amortissement, décrit en référence à la figure 4. Dans la suite, on considère à titre non limitatif que le système 2 d’amortissement comprend un ressort 1. Le système 2 d’amortissement comprend un dispositif 22 de mise en circulation d’un fluide caloporteur. Le dispositif 22 de mise en circulation du fluide caloporteur est fluidiquement connecté au ressort 1 et configuré pour mettre en circulation le fluide caloporteur à l’intérieur du ressort 1. Le système 2 d’amortissement peut comprendre un conduit fluidique d’amenée 20 du fluide caloporteur au ressort 1 , et un conduit fluidique d’évacuation 21 du fluide caloporteur du ressort 1. Notons que chaque conduit fluidique 20, 21 peut être formé d’un ou d’une pluralité de tuyaux.
Le dispositif 22 de mise en circulation du fluide caloporteur peut en outre être configuré pour moduler la température du fluide caloporteur préalablement à sa circulation dans l’âme creuse 11. Par exemple, le dispositif 22 de mise en circulation peut comprendre un moyen de chauffage et/ou de refroidissement du fluide, par exemple un échangeur thermique.
Le système 2 peut également comprendre au moins un capteur pour mesurer une température qui est fonction de la température du corps 10 du ressort 1. Par exemple, un capteur peut mesurer la température du fluide en entrée 101 ou en sortie 102 du corps 10. Le capteur peut également mesurer la température de l’un des conduits fluidiques 20, 21. Le système 2 est alors configuré pour réguler la température du corps 10 du ressort 1 en fonction de la température mesurée. À cet effet, le système 2 peut par exemple faire varier le débit du fluide caloporteur, ou faire varier la température du fluide caloporteur en entrée 101 du corps 10 du ressort 1. Une régulation in situ de la température du corps 10 du ressort 1 est ainsi permise.
Selon un exemple, le système 2 d’amortissement peut former un circuit fluidique fermé, de sorte que le fluide caloporteur circule en boucle entre le dispositif 22 de mise en circulation et le ressort 1. Ainsi, la quantité de fluide caloporteur, utilisée pour tempérer le ressort 1, peut être limitée. Le dispositif 22 de mise en circulation peut être configuré pour induire le déplacement du fluide caloporteur dans le circuit fermé. Pour cela, le dispositif 22 de mise en circulation peut par exemple comprendre un moyen de mise sous pression du fluide, par exemple une pompe. Le fluide caloporteur ayant été réchauffé ou refroidi suite à sa circulation dans l’âme creuse 11 , le dispositif 22 de mise en circulation peut comprendre en alternative ou en complément un échangeur thermique configuré pour ramener la température du fluide à sa température initiale avant circulation dans l’âme creuse 11. Comme il existe une différence de température du fluide caloporteur entre l’entrée 101 et la sortie 102 du ressort 1 , on comprend que le déplacement du fluide caloporteur peut être induit par convection thermique, sans nécessiter un moyen de mise sous pression du fluide.
Selon un exemple alternatif, le système 2 d’amortissement peut former un circuit fluidique ouvert ou fermé et comprenant un réservoir de fluide caloporteur. Le fluide caloporteur peut être fourni à l’entrée 101 du ressort 1 par le conduit fluidique d’amenée 20 et être évacué à la sortie 102 du ressort 1 , par exemple par le conduit d’évacuation 21, sans être refourni par la suite au ressort 1 ou en repassant par un réservoir. Le dispositif 22 de mise en circulation peut alors être configuré pour induire le déplacement du fluide caloporteur dans le circuit fluidique. Pour cela, le dispositif 22 de mise en circulation peut par exemple comprendre un moyen de mise sous pression du fluide, par exemple une pompe ou un circuit fluidique sous pression tel que le réseau d’eau courante, typiquement à une pression de sensiblement 4 bars.
Le dispositif 22 de mise en circulation du fluide caloporteur peut être choisi en fonction de la nature du fluide et de la température de l’environnement du ressort 1.
Le fluide caloporteur est un fluide à l’état gazeux et/ou liquide qui, par ses propriétés physiques, permet de transporter de la chaleur d'un point à un autre. Le fluide caloporteur peut être un gaz, tel que l'azote, l'hélium, l'air, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Ces fluides ont un pouvoir caloporteur valorisable pour un usage à très haute température, par exemple une température supérieure à 350°C. Pour une température de l’environnement du ressort 1 inférieure à 350°C, le fluide caloporteur peut être un fluide organique tel qu’une huile minérale ou synthétique, ou un fluide halogéné tel qu’un perfluorocarbure (communément abrégé PFC) ou un hydrofluoroéther (communément abrégé HFE). Les fluides organiques et halogénés présentent avantageusement une forte rigidité diélectrique et une faible volatilité. Pour une température de l’environnement du ressort 1 supérieure à 350°C, le fluide caloporteur peut être un sel fondu ou un métal liquide.
Le dispositif 22 de mise en circulation peut être configuré pour adapter le débit du fluide caloporteur dans le ressort 1. Selon un exemple dans lequel le fluide caloporteur est de l’eau, l’eau se transforme en vapeur au-dessus du couple température et pression définissant son point d’ébullition. Pour une température donnée de l’environnement, le débit d’eau pourra être augmenté pour éviter sa vaporisation, et permettre d’extraire le maximum d’énergie thermique du ressort 1.
Selon un exemple, le système d’amortissement peut comprendre un dispositif de récupération du fluide caloporteur et/ou de l’énergie thermique du fluide caloporteur après circulation du fluide caloporteur dans l’âme creuse 11 du corps 10 du ressort 1.
Par exemple, le dispositif de récupération peut être configuré pour recueillir le fluide caloporteur en sortie 102 du ressort 1, ou en sortie du conduit fluidique d’évacuation 21. Le fluide caloporteur peut être ensuite utilisé pour sa valorisation, par exemple en étant injecté dans un autre système. Selon un exemple dans lequel le fluide caloporteur est de l’eau sous forme de vapeur au moins après circulation dans l’âme creuse 11 du ressort 1 , la vapeur d’eau peut être acheminée pour être injectée dans un autre système, comprenant par exemple une turbine.
Selon un autre exemple, le dispositif de récupération peut être configuré pour récupérer l’énergie thermique du fluide caloporteur, et notamment sans prélever le fluide caloporteur. Le dispositif de récupération peut être configuré pour récupérer l’énergie thermique du fluide caloporteur au niveau de la sortie 102 du ressort 1, ou au niveau du conduit fluidique d’évacuation 21. Le dispositif de récupération peut par exemple être un échangeur de chaleur.
L’entrée 101 du corps 10 du ressort peut être configurée pour coopérer avec le conduit fluidique d’amenée 20 du fluide caloporteur à l’intérieur de l’âme creuse 11. La sortie 102 peut être configurée pour coopérer avec le conduit fluidique d’évacuation 21 du fluide caloporteur à l’extérieur de l’âme creuse 11. Selon un exemple, l’entrée 101 et/ou la sortie 102 présentent chacune une portion de connexion fluidique 101a, 102a avec un conduit fluidique 20, 21, comme illustré par exemple par la figure 4. Selon un exemple, au moins une, voire chaque, portion de connexion fluidique 101a, 102a peut comprendre un filetage, un raccord rapide, une gorge de fixation d’une bague ou d’un collier, un raccord double bague et un raccord à étanchéité par joint métallique, par exemple un raccord VCR®. De préférence, au moins une, voire chaque, portion de connexion fluidique 101a, 102a peut comprendre un raccord rapide par exemple de type Staubli™.
Selon un exemple, l’âme creuse 11 s’étend sensiblement sur au moins 70 %, de préférence 80 %, de préférence 90 % de la longueur du corps 10 du ressort 1 , et plus préférentiellement encore sur toute la longueur du ressort 1. Plus la longueur de l’âme creuse 11 est grande par rapport à la longueur du corps 10 du ressort 1, plus la thermalisation du ressort 1 est facilitée. La section transversale S de l’âme creuse 11 peut présenter au moins une dimension déterminée en fonction de la force à exercer par le ressort 1 , et/ou de l’amplitude du ressort 1 , et/ou du ou des matériaux le constituant. Selon un exemple, la section transversale de l’âme creuse peut présenter au moins une dimension interne comprise entre 1 ,5 et 6 mm. Selon un exemple, l’entrée 101 et la sortie 102 peuvent être disposées chacune à une extrémité 10a, 10b du corps 10 du ressort 1 , comme illustré par la figure 3.
Comme illustré par les figures 3 et 4, le corps 10 peut former des spires 100 sur sensiblement toute sa longueur. Selon un exemple alternatif, illustré par les figures 6A et 6B, les spires 100 peuvent être formées le long d’une portion du corps 10, et le corps 10 peut comprendre une portion d’amenée 103 du fluide caloporteur en amont des spires 100 et/ou une portion d’évacuation 104 du fluide caloporteur en aval des spires 100. La portion d’amenée 103 et/ou la portion d’évacuation 104 peuvent s’étendre selon une direction sensiblement parallèle à l’axe central A du ressort 1. La portion d’amenée 103 et/ou la portion d’évacuation 104 peuvent en alternative s’étendre selon une direction distincte de l’axe central A du ressort 1, par exemple sensiblement perpendiculairement à cet axe.
Le ressort 1 peut ainsi être configuré de sorte que la coopération avec le conduit fluidique d’amenée 20 et/ou avec le conduit fluidique d’évacuation 21 est réalisée aux extrémités des spires 100. En alternative, la coopération avec le conduit fluidique d’amenée 20 et/ou avec le conduit fluidique d’évacuation 21 peut être réalisée entre les extrémités des spires 100, notamment par le biais de la portion d’amenée 103 et/ou de la portion d’évacuation 104. Selon l’environnement thermique du ressort 1 , le conduit fluidique d’amenée 20 et/ou l’entrée 101 du ressort peuvent ainsi être éloignées d’un point chaud afin de limiter le réchauffement du fluide caloporteur préalablement à sa circulation dans l’âme creuse 11.
Comme illustrée par la figure 3, le corps 10 du ressort 1 peut présenter une section transversale S circulaire. Comme illustré par les figures 5A à 5C et 5E, le corps 10 du ressort 1 peut présenter une section transversale S non-circulaire, et de préférence triangulaire (voir par exemple la figure 5B), ovale ou elliptique (voir par exemple la figure 5A), oblongue (voir par exemple la figure 5E), ou polygonale (voir par exemple la figure 5C). Une forme polygonale peut être rectangle, carré, ou un polygone plus complexe. La forme de la section transversale S peut être adaptée pour moduler les propriétés mécaniques du ressort 1 , par exemple sa résistance vive élastique et/ou sa constante de raideur. Par exemple, une section transversale S non- circulaire, et notamment une section elliptique, carrée ou rectangulaire permet d’obtenir un ressort de constante de raideur distincte de celle d’un ressort à section transversale S circulaire. La section transversale S peut être prise selon un plan perpendiculaire à la tangente au corps 10, par exemple à la paroi externe au corps 10. Selon un exemple, au niveau des spires 100, la section est prise selon un plan radial, c’est-à-dire un plan contenant l’axe central A.
Par ailleurs, la forme de la section transversale S peut être adaptée de façon à favoriser un écoulement turbulent du fluide caloporteur dans l’âme creuse, et ainsi améliorer l’extraction de l’énergie thermique du corps 10 du ressort 1. Par exemple, une variation d’au moins une dimension de la section transversale S le long d’au moins une portion, de préférence sur sensiblement toute la longueur, du corps 10 du ressort 1 permet de favoriser un écoulement turbulent. Selon un exemple, la forme de la section transversale S est identique sur la portion de variation d’au moins une dimension de la section transversale S. Plus particulièrement, la section transversale S peut être de forme circulaire sur cette portion. Cette variation peut être ponctuelle, par exemple un élargissement ou un rétrécissement de la section transversale S, ou de préférence répétée, par exemple sous la forme d’une pluralité de rétrécissements ou d’élargissement de la section transversale S.
Une section transversale S peut en outre présenter une forme, notamment une forme polygonale, apte à ce que les spires 100 s’emboîtent au moins partiellement les unes dans les autres, lorsque le ressort 1 est dans une configuration rétractée. L’encombrement du ressort 1 peut ainsi être réduit dans sa configuration rétractée. Cet exemple peut être illustré par la figure 5C.
Selon un exemple, la section transversale du corps peut être identique au moins le long des spires 100, voire sur sensiblement toute la longueur du corps 10 ressort 1. En alternative, la section transversale S du corps 10 peut être variable au moins le long des spires 100. Ainsi, la force de rappel exercée par le ressort évolue de façon non- proportionnelle avec la déformation ou le chargement du ressort 1.
Le ressort 1 peut présenter une enveloppe externe 12 cylindrique ou conique. Un ressort 1 présentant une enveloppe externe 12 conique peut notamment se déformer plus facilement. Alternativement, le ressort 1 peut présenter une enveloppe externe 12 non cylindrique ou non conique. La géométrie du ressort 1 peut ainsi être adaptée à un environnement géométriquement contraint. Par ailleurs, la forme de l’enveloppe externe 12 permet de moduler la déformation élastique du ressort 1. Par exemple, une enveloppe externe 12 non conique permet d’obtenir un ressort 1 se déformant moins facilement qu’un ressort 1 présentant une enveloppe externe conique. Comme illustré par la figure 5D, l’enveloppe externe 12 peut par exemple présenter deux portions d'extrémité et une portion centrale située entre les deux portions d’extrémités. La section de la portion centrale, prise perpendiculaire à l’axe central A, peut être différente, de la section des portions d'extrémité, prises perpendiculaire à l’axe central A. Selon un exemple, la section de la portion centrale, prise perpendiculaire à l’axe central A, peut être inférieure à la section des portions d'extrémité, prises perpendiculaire à l’axe central A. On peut par exemple qualifier cette forme de diabolo.
Le ressort 1 peut en outre comprendre au moins une coupelle 13, configurée pour solidariser le ressort 1 à un ou plusieurs éléments sur lesquels s’exerce la force de rappel générée par le ressort 1. Elle forme l’interface entre le corps 10 du ressort 1 et un élément cinématiquement couplé avec le ressort 1 tel qu’une pièce mobile ou un bâti, tel qu’un châssis. La coupelle 13 peut plus particulièrement être une pièce sur laquelle une partie, de préférence une extrémité du corps 10, prend appui lors d’une compression du ressort 1. La coupelle 13 est ainsi une pièce de fixation. La coupelle peut présenter une forme circulaire.
Le ressort 1 peut par exemple comprendre deux coupelles 13, comme illustré par les figures 6A à 7. Chaque coupelle 13 peut être disposée à une extrémité des spires 100 du ressort 1 , de part et d’autre des spires 100 selon l’axe central A. Dans la suite, on considère à titre non limitatif que le ressort 1 comprend deux coupelles 13, chacune étant disposée à une extrémité des spires 100 du ressort 1
Chaque coupelle 13 peut être solidaire d’une portion du corps 10 du ressort 1. La coupelle 13 peut être rapportée de manière amovible ou définitive sur le corps 10, et fixée au ressort 1 par exemple par enclipsage, par vissage ou par le biais d’un collier. Selon un exemple, la coupelle 13 et le corps 10 du ressort 1 peuvent former un ensemble monolithique. Une portion du corps 10 peut être au moins partiellement encastrée, voire traverser la coupelle 13. Le fluide caloporteur circulant dans l’âme creuse 11, la coupelle 13 peut donc être thermalisée avec le corps 10 du ressort 1.
Selon un exemple, chaque coupelle peut être solidaire d’une portion au moins d’une spire 100 du ressort 1. Plus particulièrement, cette portion d’une spire 100 peut être partiellement encastrée dans la coupelle 13 au niveau d’une ouverture 130 sur la face de la coupelle en regard de la spire 100, comme illustrée par la vue en coupe 6B.
Le corps 10 peut traverser la coupelle 13, par exemple dans son épaisseur, par le biais d’une ouverture telle qu’un trou 131. Selon un exemple, la portion d’amenée 103 et la portion d’évacuation 104 traversent chacune une coupelle 13 distincte par des ouvertures 131 , 132. Les ouvertures 131 , 132 peuvent présenter un contour fermé, comme cela est illustré sur les figures 6A, 6B. Ces ouvertures 131, 132 peuvent présenter un contour de section circulaire. Elles forment alors un trou. Alternativement, ces ouvertures 131 , 132 présentes un contour non circulaire, par exemple un contour oblong. Alternativement, les ouvertures 131, 132 présentent un contour ouvert. Cela autorise un débattement des portions 103, 104, par exemple selon une direction perpendiculaire à l’axe central A. Ce débattement peut être utile lors du fonctionnement du ressort ou lors de l’assemblage du corps 10 avec les coupelles 13.
Selon l’exemple illustré par les figures 6A et 6B, la portion d’amenée 103 et la portion d’évacuation 104 traversent une même coupelle 13. Afin de permettre la déformation du ressort 1 , au moins une parmi la portion d’amenée 103 et la portion d’évacuation 104 peut présenter un degré de liberté en translation ou en rotation ou une combinaison de translation et de rotation par rapport à la coupelle 13. Selon l’exemple illustré en figure 6B, le trou 132 présente un diamètre externe supérieur au diamètre externe de la portion d’amenée 103 de sorte que la portion d’amenée 103 coulisse en translation dans le trou 132 selon une direction parallèle à l’axe central A. Ainsi, il apparait clairement que la portion d’amenée et/ou la portion d’évacuation est configurée avec son ouverture de sorte que ladite portion présente un degré de liberté au moins en translation avec la coupelle. De préférence, un contact direct entre la portion d’amenée 103 et la coupelle 13 est réduit, voire est absent, pour minimiser un réchauffement ou un refroidissement du fluide caloporteur préalablement à sa circulation dans l’âme creuse 11.
La coupelle 13 peut comprendre une ouverture centrale 133, permettant notamment de minimiser son poids. En alternative ou en complément, la coupelle 13 peut en outre comprendre des organes de coopération 134 avec un ou plusieurs éléments sur lesquels s’exerce la force de rappel générée par le ressort 1 , comme illustré en figure 7.
Selon un exemple, le ressort est à base d’au moins un matériau. Un matériau peut être un métal et/ou d’une céramique et/ou d’un matériau plastique. De préférence, le ressort est à base d’au moins un métal.
Selon un exemple, le matériau présente un module de Young supérieur à 100 GPa, et de préférence supérieur à 150 GPa. Selon un exemple le matériau est un acier. Selon un exemple, le matériau un alliage de nickel, de chrome et de fer, par exemple un alliage Inconel® tel que l’Inconel® 718. À titre d’exemple, le module de Young de l’Inconel® 718 est sensiblement égal à 203 GPa, le module de Young de l’acier communément employé dans le domaine des ressorts est sensiblement égal à 181 GPa. À titre de comparaison le module de Young du caoutchouc est bien inférieur, compris entre 0,001 à 0,1 GPa.
Les superalliages de nickel, de chrome et de fer, tel que l’lnconel®718 (IN718), sont des superalliages à faible coût à base de nickel qui est principalement utilisé comme matériau pour les disques de turbine. En termes de propriétés mécaniques, ces superalliages offrent une excellente résistance thermique- jusqu’à 700°C - et une grande résistance à l’oxydation et à la corrosion. Il est également reconnu pour son excellente résistance thermique, son haut rendement, ses bonnes propriétés de traction et de fluage-rupture. Cela en fait donc de bons matériaux pour le ressort 1. Ces superalliages conservent leur résistance thermique sur une large gamme de températures, ce qui en fait un bon candidat pour les applications à haute température ou à basse température, d’autant plus en synergie avec un refroidissement par un fluide caloporteur. Les caractéristiques précédemment décrites du ressort 1 peuvent être obtenue par un procédé de fabrication du ressort par fabrication additive également désignée impression en trois dimensions (3D). Par rapport aux solutions existantes, le ressort 1 est fabriqué par addition successive de couches de matière, ce qui permet d’obtenir les configurations décrites.
Grâce à l’impression 3D, le ressort peut en outre être à base ou fait d’un ou d’une pluralité de matériaux non tréfilables. Notamment, le ressort peut être fait d’un ou d’une pluralité de matériaux non tréfilables et plus résistants au fluage à haute température que les matériaux utilisés dans les solutions existantes. Par exemple, le corps 10 du ressort 1 peut à base de ou fait d’un superalliage de nickel tel que l’Inconel® 718, un alliage du titane tel que la nuance ta6v, un acier inoxydable austénitique tel que la nuance 310s. Pour les basses températures, le ressort peut être fait d’un matériau moins fragile que ceux utilisés dans les solutions existantes, telle que les nuances S460 de carbone-manganèse, et A420F.M d’acier au carbone. Le choix du ou des matériaux constitutifs du ressort 1 dépend notamment de la force de rappel à exercer, de l’environnement thermique du ressort 1 et d’autres contraintes tel que le coût du ressort 1.
Le corps 10 du ressort 1 , voire le ressort 1, est préférentiellement fait d’un alliage de type Inconel® à base de nickel à une proportion en masse comprise entre 45 % et 75 %, de chrome à une proportion en masse sensiblement égale à 15 %, de cobalt, molybdène, tungstène, titane, fer, et aluminium. Cet alliage conserve avantageusement ses propriétés mécaniques jusqu'à environ 400°C à 500°C, sans moyens de régulation thermique.
Le procédé 3 de fabrication du ressort 1 est maintenant décrit en référence à la figure 8, dans laquelle des traits en pointillés indiquent des variantes optionnelles du procédé 3. Le procédé 3 comprend une densification sélective d’un lit de poudre ou un dépôt 30 couche par couche d’au moins un matériau, de préférence un matériau métallique, de façon à former le ressort 1 selon les caractéristiques précédemment décrites.
Le dépôt 30 séquentiel du matériau couche par couche peut comprendre une extrusion ou une solidification de poudre métallique, polymère et fil polymère. Le matériau déposé peut être solidifié 300 au cours du dépôt 30 couche par couche. La solidification 300 du matériau peut faire l’objet d’une étape distincte de refroidissement ou de traitement chimique, par exemple par polymérisation. La densification du lit de poudre peut être réalisée sélectivement à l’aide d’une source d’énergie, par exemple une source laser, une résistance, un faisceau d’électron, ou de la lumière UV.
Préalablement au dépôt 30, le procédé 3 peut comprendre une étape de conception 31 d’un modèle numérique en trois dimensions du ressort 1. Suite au dépôt 30, le procédé 3 peut comprendre un traitement de finition 32. Le traitement de finition 32 peut être un traitement mécanique, par exemple par ponçage, ou thermique, par exemple par cuisson. Le procédé peut en outre comprendre toute étape permettant l’obtention d’une caractéristique précédemment décrite du ressort 1. Le procédé peut comprendre une étape de contrôle et de comparaison 33 du ressort 1 obtenu par rapport à son modèle numérique.
Notons que le procédé d’impression 3D peut être adapté selon le ressort 1, par exemple selon la taille du ressort 1 et selon le ou les matériaux constitutifs de ressort.
Exemple de simulation appliquée à un ressort 1 en Inconel® 718
Lors de la conception 31 d’un modèle numérique en trois dimensions du ressort 1 , sur le modèle du ressort 1 illustré par les figures 6A et 6B, la constante de raideur du ressort 1 visé peut être déterminée grâce à un calcul élastique aux éléments finis. Une compression longitudinale d’un ressort 1 en Inconel® 718 est par exemple simulée pour un environnement thermique ambiant, sans circulation d’un fluide caloporteur.
Par simulation, pour un écrasement de 20 mm appliqué à une extrémité du ressort 1, le déplacement dans l’axe A le long du corps 10 du ressort 1, ainsi que les contraintes de Von Mises, peuvent être calculés.
Pour un dimensionnement à froid, dans un environnement thermique ambiant, on vérifie que la contrainte maximale est inférieure à la limite d’élasticité du ressort 1. Le calcul à chaud, pour un environnement thermique contraignant, peut être fait en prenant en compte des dilatations du ressort et en tenant compte de la baisse de rigidité du matériau avec la température. On vérifie que la contrainte maximale ne dépasse pas la limite de fluage. Le ressort 1 peut être configuré de façon à éviter, pour un écrasement donné, un fluage du matériau.
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention propose une solution permettant d’améliorer efficacement les performances d’un ressort en environnement thermiquement contraignant.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. En particulier, toutes les caractéristiques, effets techniques et étapes mentionnés ci-dessus en référence à des ressorts travaillant en compression sont parfaitement applicables aux ressorts travaillant en traction ou en torsion, comme l’illustre par exemple les figures 5F et 5G.
LISTE DES REFERENCES
1 , T Ressort
10, 10’ Corps
10a, 10b Extrémité
100, 100’ Spires
101 Entrée
101a Portion de connexion fluidique
102 Sortie
102a Portion de connexion fluidique
103 Portion d’amenée
104 Portion d’évacuation
11 Âme creuse
12, 12’ Enveloppe externe
13 Coupelle
130 Ouverture
131 Trou
132 Trou
133 Ouverture centrale
134 Organe de coopération
2 Système d’amortissement
20 Conduit fluidique d’amenée
21 Conduit fluidique d’évacuation
22 Dispositif de mise en circulation du fluide caloporteur
3 Procédé de fabrication
30 Dépôt couche par couche
300 Solidification
31 Conception d’un modèle numérique
32 T raitement de finition
33 Contrôle et comparaison au modèle numérique

Claims

24
REVENDICATIONS
1. Ressort (1) élastique comprenant un corps (10) formant des spires (100), dans lequel le corps comprend : une portion d’amenée (103) du fluide caloporteur en amont des spires
(100) et une portion d’évacuation (104) du fluide caloporteur en aval des spires (100), une âme creuse (11) s’étendant au moins le long des spires (100) et des portions d’amenées (103) et d’évacuation (104), entre une entrée
(101) et une sortie (102) du corps (10), l’âme creuse (11) définissant un volume de circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur des spires (100), le ressort (1) étant configuré de sorte qu’un fluide caloporteur entre dans l’âme creuse (11) par l’entrée (101) du corps (10), circule dans l’âme creuse (11) et sort de l’âme creuse (11) par la sortie (102) du corps (10), le ressort comprenant au moins une coupelle (13) solidaire d’une portion du corps (10) du ressort (1), caractérisé en ce que la portion d’amenée (103) et la portion d’évacuation (104) traversent une même coupelle (13) par chacune une ouverture (131, 132), au moins une parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation étant configurée avec son ouverture (131 , 132) de sorte que ladite portion présente un degré de liberté au moins en translation avec la coupelle (13).
2. Ressort (1) selon la revendication précédente dans lequel l’entrée (101) est configurée pour coopérer avec un conduit fluidique d’amenée (20) du fluide caloporteur à l’intérieur de l’âme creuse (11).
3. Ressort selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la sortie (102) est configurée pour coopérer avec un conduit fluidique d’évacuation (21) du fluide caloporteur à l’extérieur de l’âme creuse (11).
4. Ressort selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’entrée (101) et la sortie (102) présentent chacune une portion de connexion fluidique (101a, 102a) avec un conduit fluidique (20, 21).
5. Ressort (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’entrée (101) et la sortie (102) sont chacune disposée à une extrémité (10a, 10b) du corps (10) du ressort (1), distincte l’une de l’autre.
6. Ressort (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section transversale (S) du corps (10) est circulaire au moins le long d’une portion des spires (100).
7. Ressort selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une section transversale (S) du corps (10) est non-circulaire au moins le long d’une portion des spires (100), et de préférence triangulaire, ovale, oblongue, elliptique ou polygonale.
8. Ressort (1) selon la revendication précédente, dans lequel la section transversale (S) du corps (10) est configurée de sorte que les spires (100) s’emboîtent au moins partiellement les unes dans les autres, lorsque le ressort (1) est dans une configuration rétractée.
9. Ressort (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les spires (100) forment ensemble une forme, désignée enveloppe externe (12), non cylindrique ou non conique, par exemple l’enveloppe externe (12) présente deux portions d'extrémité et une portion centrale située entre les deux portions d’extrémités, la section de la portion centrale étant inférieure à la section au niveau des portions d'extrémité.
10. Ressort (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une coupelle (13) et le corps (10) forment un ensemble monolithique.
11. Ressort selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une ouverture (131, 132) présente un diamètre externe supérieur au diamètre externe de l’au moins une parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation (103, 104) s’étendant à travers, de sorte que ladite portion coulisse en translation dans l’ouverture (131 , 132).
12. Ressort sort selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort est à base d’au moins un matériau présentant un module de Young supérieur à 100 GPa.
13. Système (2) d’amortissement comprenant : au moins un ressort (1) élastique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, un dispositif (22) de mise en circulation d’un fluide caloporteur, fluidiquement connecté au ressort (1) et configuré pour mettre en circulation un fluide caloporteur à l’intérieur du ressort (1).
14. Système (2) d’amortissement selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif (22) de mise en circulation du fluide caloporteur comprend au moins l’un parmi une pompe, un circuit fluidique sous pression et un échangeur thermique.
15. Système (2) d’amortissement selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, comprenant un dispositif de récupération du fluide caloporteur et/ou d’une énergie thermique du fluide caloporteur après circulation du fluide caloporteur dans l’âme creuse (11) du ressort (1).
16. Procédé (3) de fabrication additive d’un ressort (1) élastique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant un dépôt (30) couche par couche d’au moins un matériau de façon à former un ressort (1) élastique comprenant un corps (10) comprenant une portion d’amenée (103) du fluide caloporteur en amont des spires (100) et une portion d’évacuation (104) du fluide caloporteur en aval des spires (100), une âme creuse (11) s’étendant au moins le long des spires (100) et des portions d’amenées (103) et d’évacuation (104), entre une entrée (101) et une sortie (102) du corps (10), l’âme creuse (11) définissant un volume de circulation d’un fluide caloporteur à l’intérieur des spires (100), le ressort (1) étant configuré de sorte qu’un fluide caloporteur entre dans l’âme creuse (11) par l’entrée (101) du corps (10), circule dans l’âme creuse (11) et sort de l’âme creuse (11) par la sortie (102) du corps (10), le ressort comprenant au moins une coupelle (13) solidaire d’une portion du corps (10) du ressort (1), et la portion d’amenée (103) et la portion d’évacuation (104) traversant une même coupelle (13) par chacune une ouverture (131, 132), au moins une parmi la portion d’amenée et la portion d’évacuation étant configurée avec son ouverture (131 , 132) de sorte que ladite portion présente un degré de liberté au moins en translation avec la coupelle (13).
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