WO2022101593A1 - Rondelle ressort offrant une tenue en temperature amelioree - Google Patents

Rondelle ressort offrant une tenue en temperature amelioree Download PDF

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WO2022101593A1
WO2022101593A1 PCT/FR2021/052015 FR2021052015W WO2022101593A1 WO 2022101593 A1 WO2022101593 A1 WO 2022101593A1 FR 2021052015 W FR2021052015 W FR 2021052015W WO 2022101593 A1 WO2022101593 A1 WO 2022101593A1
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spring washers
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PCT/FR2021/052015
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Inventor
Michel Planque
Guilhem Roux
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • 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
    • F16F1/32—Belleville-type 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
    • F16F3/00—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic
    • F16F3/02—Spring units consisting of several springs, e.g. for obtaining a desired spring characteristic with springs made of steel or of other material having low internal friction
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a spring washer or Belleville washer offering improved temperature resistance.
  • a spring washer or elastic washer also referred to as a Belleville washer from the name of its inventor, is a washer which performs a spring function by elastic deformation.
  • This type of spring washer is frequently used when low flexibility is desired under heavy load, as opposed to a conventional spiral spring which will provide it with high flexibility.
  • these washers have the advantage of being able to be combined in various ways, which not only makes it possible to obtain the desired stiffness for the assembly, but also to create systems with variable stiffness.
  • the elastic washers can be arranged together to increase the rigidity by mounting them in series, or to increase the travel by mounting them in parallel, or even by mounting certain washers in parallel and certain in series.
  • washer springs when washer springs are used at high temperatures, they lose their stiffness over time due to material creep. Indeed, despite the implementation of active cooling of the washer, it is possible depending on the case that it rises in temperature or drops in temperature and that the assembly obtained by the spring washer(s) deteriorates over time. course of time.
  • a spring washer incorporating at least one channel configured for the circulation of a heat transfer fluid allowing control puck thermal.
  • the realization of this channel can be made possible by using an additive manufacturing process.
  • the spring washer comprises a body integrating a fluidic circuit intended for the circulation of a heat transfer fluid.
  • the washer has two annular faces, connected by inner and outer side faces respectively. Said fluidic circuit is provided between said two annular faces.
  • the two annular faces can be of frustoconical shape.
  • additive manufacturing makes it possible to manufacture the washers in grades of materials resistant to creep at high temperature, for example of the order of 700° C. While these grades are not available for conventional manufacturing of spring washers by stamping or the available materials are very few.
  • the Schnorr company offers a single nickel-cobalt alloy designated Nimonic 90® (NiCr20Co80Ti) whose working temperature is between -200°C and +700°C.
  • the spring washer incorporates its heat exchange circuit to extract or provide heat to the washer.
  • One of the subjects of the present application is a spring washer comprising a body integrating a fluidic circuit intended for the circulation of a heat transfer fluid.
  • Said spring washer can be manufactured by additive manufacturing.
  • the fluidic circuit comprises channels distributed in a body of the spring washer.
  • the fluidic circuit comprises a plurality of concentric channels connected in parallel.
  • the fluidic circuit may include at least one heat-transfer fluid supply orifice and at least one heat-transfer fluid discharge orifice, said supply and discharge orifices being formed in an outer lateral edge of the body of the spring washer.
  • the spring washer comprises a supply channel connected to the supply orifice and an evacuation channel connected to the evacuation orifice, said conduits being intended to be connected to a fluid circulation system coolant, said ducts being made in one piece with the body of the washer.
  • said ducts are made in one piece with the body of the washer by additive manufacturing.
  • the spring washer being at least partly made of a nickel-based superalloy, for example Inconel®718.
  • the manufacture can be carried out by powder bed fusion.
  • the spring washer comprises parts made of different materials and/or having different mechanical properties.
  • Another object of the present application is a system of spring washers comprising several spring washers according to the invention, the spring washers being assembled so as to have all the tapers oriented in the same direction and made in one piece.
  • the manufacturing can be carried out by additive manufacturing.
  • Another object of the present application is a system of spring washers comprising several spring washers according to the invention, said spring washers being assembled so that two adjacent spring washers have conicities oriented in opposite directions and made in one piece.
  • the manufacturing can be carried out by additive manufacturing.
  • Another object of the present application is a system of spring washers comprising several spring washers according to the invention, the spring washers being assembled so that at least two adjacent spring washers have tapers oriented in the same direction, and so that at least two adjacent washers have tapers oriented in opposite directions and made in one piece.
  • the manufacturing can be carried out by additive manufacturing.
  • the fluidic circuits of the spring washers are interconnected and in which the system comprises a supply conduit connected to all the fluidic circuits and an evacuation conduit connected to all the fluidic circuits.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a spring washer or a system of spring washers as described above. Said manufacturing process is carried out by additive manufacturing.
  • said additive manufacturing is made of lnconel®718 by powder bed fusion BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an example of a spring washer.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a view from above of the spring washer of FIG. 1 in transparency showing the circulation of the heat transfer fluid.
  • FIG. 3 is a perspective view of the sectional view of Figure 1.
  • FIG. 4A is a perspective view of another example of a spring washer.
  • FIG. 4B is a top view of the spring washer of FIG. 4A, the upper wall being removed.
  • FIG. 5 is a graphic representation of the load in N of the washer as a function of the compression in mm for a washer of the state of the art and a washer according to the invention.
  • FIG. 6A is a perspective view of an example of a system of spring washers arranged in series.
  • FIG. 6B is a sectional view of the system of Figure 6A.
  • FIG. 6C is a sectional view of FIG. 6A along two intersecting planes at the level of the axis of the washer.
  • FIG. 7A is a perspective view of an example of a system of spring washers arranged in parallel.
  • FIG. 7B is a sectional view of the system of Figure 7A.
  • FIG. 7C is a sectional view of FIG. 7A along two intersecting planes at the level of the axis of the washer.
  • the spring washer R may have a generally frustoconical shape with a longitudinal axis X.
  • the washer R comprises two frustoconical annular faces 2, 4 connected by side faces 6, 8 inside and outside respectively.
  • the spring washer prefferably has a general shape which is not frustoconical.
  • the general shape of the puck can be semi-circular or flat.
  • the two annular faces can for example have a semi-circular or flat shape. Said two annular faces are also connected by inner and outer side faces.
  • a body of the washer is formed by all the annular and lateral faces.
  • Figures 1 and 2 show the body of the washer formed by the tapered annular faces (2, 4) and the side faces (6, 8).
  • the washer comprises a fluidic circuit 10 provided between its two annular faces 2, 4 for the circulation of a heat transfer fluid, at least one supply orifice 12 of said circuit and at least one discharge orifice 14 of said circuit.
  • the supply and discharge orifices are formed in the outer side face 6, in at least one part which remains accessible even after assembly of the washer in the system in which it is used.
  • the fluidic circuit 10 is configured to allow a relatively uniform circulation of the fluid throughout the washer and thus ensure a relatively uniform extraction or heat supply.
  • the fluidic circuit 10 comprises at least one fluidic channel 16.
  • the fluidic circuit 10 comprises five cavities or channels 16 of circular and concentric shape.
  • the channels are centered on the X axis.
  • the channels are connected in parallel to the supply orifice and to the outlet orifice.
  • a single supply orifice and a single outlet orifice are implemented.
  • Two adjacent channels are separated by a circular wall 18 and two adjacent channels are connected to each other by passages formed through the wall 18.
  • the channels are connected in parallel to the supply port 12 by passages 20 aligned radially with the supply port and are connected in parallel to the evacuation orifice 14 by passages 22 aligned radially with the evacuation orifice 14.
  • the circulation of the fluid in the spring washer is symbolized by the arrows F.
  • the parallel supply and evacuation of the channels offers the advantage of ensuring homogeneous heat extraction throughout the body of the washer.
  • the washer comprises ducts 24, 26 respectively connected to the supply orifice and to the discharge orifice allowing connection to a heat transfer fluid circulation system.
  • the ducts are made in one piece with the body of the spring washer.
  • the circulation system is for example a closed circuit comprising for example a heat transfer fluid tank, a circulation pump and advantageously a heat exchanger to cool the heat transfer fluid at the outlet of the washer in a high temperature application, or means for heating the heat transfer fluid in a low temperature application.
  • the fluidic circuit comprises a circular channel radially inside the washer and a circular channel radially outside the washer and radial channels.
  • the circuit is configured to supply the radially-inward circular channel with coolant which will flow through the radial channels to the radially-outward circular channel which is connected to the exhaust port.
  • spring washer R′ comprising a fluidic circuit in which portions of channels 28 are oriented radially and are connected to each other so as to cause the fluid to circulate alternately towards the outside and outward from the washer in the radial direction.
  • the channel portions 28 are connected by circular arc-shaped channel portions 30 located on the radially outer periphery and bordering the latter, and circular arc-shaped channel portions 32 located on the radially outer periphery. inside and bordering it.
  • the arrows F' symbolize the flow of the fluid.
  • the washer comprises ducts 34, 36 respectively connected to the supply orifice and to the discharge orifice allowing connection to a circulation system for the heat transfer fluid.
  • channel portions 28 and 30 are connected together so that the fluidic circuit comprises two distinct channels connected in parallel to the supply channel 34 and to the evacuation conduit 36.
  • the channel portions 28 and 30 are connected to each other so that the fluidic circuit forms a single channel connected to the supply conduit by one end and to the evacuation conduit by the other end.
  • the heat transfer fluid can be a gas or a liquid which, by its physical properties, makes it possible to transport heat from one point to another.
  • the gaseous heat transfer fluid can be chosen, for example, from nitrogen, helium, air, carbon dioxide and superheated steam.
  • Halogenated fluids for example Perfluorocarbon (PFC) and Hydrofluoroether (HFE), can be used in applications requiring their dielectric strength and volatility.
  • the liquid heat transfer fluid can be chosen from organic fluids in the form of mineral or synthetic oil for operating temperatures below 350°C. For applications at higher temperatures, heat transfer fluids such as molten salts or even liquid metals can be used.
  • the washer has an outside diameter of 125 mm, an inside diameter of 51 mm, a thickness of 6 mm, a free height h of 9.4 mm.
  • the thickness e of the walls of the channels is equal to 1 mm.
  • the wall thickness between the channels can be different from the wall thickness of the faces 2, 4.
  • the spring washer with integrated cooling circuit is manufactured by additive manufacturing, which makes it possible to produce channels in a reduced volume.
  • the washer can be made, for example, by a process by powder bed fusion or PBF (Powder Bed Fusion in Anglo-Saxon terminology) or by a process of material deposition under concentrated energy or DED (Directed Energy Deposition in Anglo-Saxon terminology).
  • PBF Powder Bed Fusion in Anglo-Saxon terminology
  • DED Directed Energy Deposition in Anglo-Saxon terminology
  • the PBF processes consist in melting, for example by means of a laser beam, certain regions of a bed of powder, one then speaks of LBM (Laser Beam Melting in Anglo-Saxon terminology) for melting by laser beam. This method offers a better resolution, it makes it possible to produce thin walls, of the order of 0.2 mm to 2 mm.
  • Powder bed fusion processes offer great geometric freedom and flexibility in production.
  • the LBM method is more suitable for materials based on iron, nickel and aluminium
  • EBM Electro Beam Melting in Anglo-Saxon terminology
  • the LBM method can proceed as follows.
  • the alloy used to form the powder bed is in the form of a powder with a particle size of less than 50 ⁇ m. It is spread by a bed scraper with a thickness varying between 30 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • a fiber optic YAG laser is used, with a power of 400 to 1000 W.
  • the beam produced by this laser is oriented by mirrors to selectively scan the bed so as to merge the grains in the zones defined upstream in a digital file.
  • the melting point depends on the metal alloy used but at the focusing point of the laser beam, the temperature can reach 2000°C, melting the upper layer of powder but also one or more of the lower layers, thus locally creating a bath liquid. The solidification of successive layers will form the part.
  • elements forming supports are provided and manufactured at the same time as the part in order to ensure that it is held in the bed and avoid any risk of the latter collapsing, which would deform the final geometry of the part.
  • These supports advantageously form the role of heat sinks, ensuring a wider distribution in the room of the heat concentrated around the focal point.
  • a high energy electron beam is used to melt and fuse metal powder.
  • This method is called EBM (Electron Beam Melting in Anglo-Saxon terminology) for electron beam melting.
  • EBM Electro Beam Melting in Anglo-Saxon terminology
  • the process takes place under vacuum.
  • This method nevertheless offers a lower resolution than the LBM method.
  • DED processes consist in depositing a molten material, for example by means of a laser beam, an electrical resistance, an electron beam, a beam of UV light, the material being brought into solid form, for example in the form with wire or powder.
  • the ducts are produced simultaneously with the body of the spring washer by additive manufacturing.
  • the manufacture of spring washers by additive manufacturing also has the advantage of being able to manufacture spring washers in materials which are not generally used to manufacture state-of-the-art spring washers, because they are not suitable for the process of conventional manufacture of spring washers.
  • Spring washers having substantially improved creep resistance independent of the coolant circuit can be manufactured.
  • An example of realization of the washer by additive manufacturing takes place as follows: The dimensions of the washer and the shape and dimensions of the channels of the fluidic circuit are determined according to the application of the washer (temperature, load, etc.). . A model in the form of a digital file is produced. The file is loaded into a microcomputer of a machine implementing a process such as the extrusion or solidification of metal powder, polymer and polymer wire, making it possible to create, step by step, the spring washer. The machine sequentially prints each layer, one on top of the other, building an actual spring washer inside the machine's build chamber. Once the machine has finished the last layer, a short drying cycle begins. Then the actual spring washer can be removed, and potentially given a finishing treatment if necessary, such as sanding, baking for hardness, etc.).
  • the spring washer can be made of a nickel-based superalloy, for example lnconel®718 by the LBM process, i.e. by the powder bed fusion process using the laser to melt the material, which gives it a very good resistance to creep at high temperature, of the order of 700° C. in air.
  • a nickel-based superalloy for example lnconel®718 by the LBM process, i.e. by the powder bed fusion process using the laser to melt the material, which gives it a very good resistance to creep at high temperature, of the order of 700° C. in air.
  • the spring washer can also be made of a titanium alloy, for example TA6V, of stainless steel, for example 310s austenitic stainless steel.
  • the spring washer can be made of S460 carbon-manganese, A420F.M carbon steel with reduced brittleness at low temperature.
  • FIG. 5 represents the load curves Cl of a washer of the state of the art and the load curve C2 of a washer according to the invention (force E in N as a function of crushing EC in mm) for an IN718 washer having the dimensions given above.
  • Spring washers C1 and C2 have the same external dimensions.
  • the spring washer according to the invention has a rigidity equal to approximately 60% of a spring washer of the state of the art.
  • Additive manufacturing also makes it possible to produce washers in several materials, which makes it possible to produce a spring washer combining the advantages of the properties of these. For example, similar materials can be used but having different ductilities.
  • the laser melts certain areas of the ceramic powder bed, then a bed of metal powder is formed on the base thus formed to manufacture the rest of the washer.
  • FIGS. 6A to 6C one can see an embodiment of a system of spring washers RI mounted in series and having increased rigidity.
  • the spring washers are superimposed and two adjacent washers are arranged so as to have their tapers oriented in opposite directions.
  • the washers are made in one piece by additive manufacturing and the fluidic circuits of the washers are connected to each other.
  • a supply conduit 38 common to all the circuits is provided at one longitudinal end of the system and an evacuation conduit 40 common to all the fluid circuits is provided at the other longitudinal end of the system.
  • Ducts 38 and 40 are diametrically opposed.
  • the two ducts 38 and 40 extend on the same side or in intersecting planes and/or are located at the same longitudinal end.
  • the arrows F1 symbolize the circulation of the fluid in the fluidic circuit.
  • This system also has the advantage of offering simplified handling since it is in one piece.
  • the washers are made in one piece by additive manufacturing and at least one fluid circuit is formed in the system of washers. This system also has the advantage of offering simplified handling since it is in one piece.
  • FIGS. 7A to 7C one can see an embodiment of a system of washers R2 mounted in parallel and having increased travel.
  • the spring washers R are superimposed with their tapers oriented in the same direction.
  • Supply 42 and evacuation 44 conduits are provided at the ends of the system.
  • the circulation of the fluid between the washers is obtained by orifices 46 formed in the annular faces of the washers ensuring a connection of the fluid circuits between them.
  • the arrows F2 symbolize the circulation of the fluid in the fluidic circuit.
  • the pressurized liquid flows successively through the stages from the inlet to the outlet.
  • conduits 38 and 40 the relative arrangement of conduits 42 and 44 in FIG. 7A is not limiting.
  • the system comprises at least two spring washers mounted in parallel and at least two washers mounted in series.
  • FIGS. 6A to 6C and 7A to 7C allow energy storage.
  • the use of several materials making it possible to combine the properties of these materials is particularly advantageous in systems of spring washers in series and in parallel.
  • the spring washer according to the invention is particularly suitable for use in high temperature environments, for example for mounting on a high temperature electrolyser, for example in the space field, for example in satellites and rocket engines, in the field of the steel industry, in furnaces in which elements must be pressurized, in the field of aeronautics, for example in the reactors of fighter planes, or airliners.

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Abstract

Rondelle ressort comportant un corps intégrant un circuit fluidique destiné à la circulation d'un fluide caloporteur, ladite rondelle étant fabriqué par fabrication additive.

Description

Description
Titre : RONDELLE RESSORT OFFRANT UNE TENUE EN TEMPERATURE AMELIOREE
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à une rondelle ressort ou rondelle Belleville offrant une tenue en température améliorée.
Une rondelle ressort ou rondelle élastique également désignée rondelle Belleville du nom de son inventeur est une rondelle qui assure une fonction de ressort par déformation élastique.
Ce type de rondelle ressort est fréquemment utilisée lorsque l'on souhaite une faible flexibilité sous forte charge, en opposition avec un ressort classique à spirales qui lui offrira une forte flexibilité.
Outre leur faible coût, ces rondelles ont l'avantage de pouvoir être associées de diverses manières, ce qui permet non seulement d'obtenir la raideur souhaitée pour l'ensemble, mais encore de créer des systèmes à raideur variable. En effet, contrairement aux ressorts, les rondelles élastiques peuvent être agencées entre elles pour augmenter la rigidité en les montant en série, ou pour augmenter le débattement en les montant en parallèles, voire en montant certaines rondelles en parallèle et certaines en série.
Cependant, lorsque les rondelles ressorts sont utilisées à haute température, elles perdent leur rigidité avec le temps dû au fluage du matériau. En effet, malgré la mise en œuvre d'un refroidissement actif de la rondelle, il est possible en fonction des cas que celle-ci monte en température ou baisse en température et que l'assemblage obtenu par la ou les rondelles ressorts se détériore au cours du temps.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une rondelle ressort présentant une tenue en température améliorée.
L'objectif énoncé ci-dessus est atteint par une rondelle ressort intégrant au moins un canal configuré pour la circulation d'un fluide caloporteur permettant un contrôle thermique de la rondelle. La réalisation de ce canal peut être rendue possible en utilisant un procédé de fabrication additive.
La rondelle ressort comporte un corps intégrant un circuit fluidique destiné à la circulation d'un fluide caloporteur. La rondelle comporte deux faces annulaires, reliées par des faces latérales intérieure et extérieure respectivement. Ledit circuit fluidique est ménagé entre lesdites deux faces annulaires.
Les deux faces annulaires peuvent être de forme tronconique. Avantageusement, la fabrication additive permet de fabriquer les rondelles dans des nuances de matériaux résistantes au fluage à haute température, par exemple de l'ordre de 700°C. Alors que ces nuances ne sont pas disponibles pour une fabrication classique des rondelles ressort par étampage ou les matériaux disponibles sont très peu nombreux. Par exemple la société Schnorr propose un seul alliage nickel-colbalt désigné Nimonic 90® (NiCr20Co80Ti) dont la température de travail est comprise entre -200°C et +700°C.
En d'autres termes, la rondelle ressort intègre son circuit d'échange thermique pour extraire ou apporter de la chaleur à la rondelle.
L'un des objets de la présente demande est une rondelle ressort comportant un corps intégrant un circuit fluidique destiné à la circulation d'un fluide caloporteur. Ladite rondelle ressort peut être fabriquée par fabrication additive.
Avantageusement, le circuit fluidique comporte des canaux répartis dans un corps de la rondelle ressort.
Par exemple, le circuit fluidique comporte une pluralité de canaux concentriques connectés en parallèle.
Le circuit fluidique peut comporter au moins un orifice d'alimentation en fluide caloporteur et au moins un orifice d'évacuation en fluide caloporteur, lesdits orifices d'alimentation et d'évacuation étant formés dans un bord latéral extérieur du corps de la rondelle ressort.
Avantageusement, la rondelle ressort comporte un canal d'alimentation connecté à l'orifice d'alimentation et un canal d'évacuation connecté à l'orifice d'évacuation, lesdits conduits étant destinés à être connectés à un système de circulation d'un fluide caloporteur, lesdits conduits étant réalisés d'un seul tenant avec le corps de la rondelle. Avantageusement, lesdits conduits sont réalisés d'un seul tenant avec le corps de la rondelle par fabrication additive.
Par exemple, la rondelle ressort étant au moins en partie en un superalliage à base de nickel, par exemple en lnconel®718. Avantageusement, la fabrication peut être réalisée par fusion de lit de poudre.
Selon une caractéristique additionnelle, la rondelle ressort comporte des parties réalisées en des matériaux différents et/ou présentant des propriétés mécaniques différentes.
Un autre objet de la présente demande est un système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon l'invention, les rondelles ressorts étant assemblées de sorte à avoir toutes les conicités orientées dans le même sens et réalisées d'un seul tenant. Avantageusement, la fabrication peut être réalisée par fabrication additive.
Un autre objet de la présente demande est un système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon l'invention, lesdites rondelles ressorts étant assemblées de sorte que deux rondelles ressorts adjacentes présentent des conicités orientées dans des sens opposés et réalisées d'un seul tenant. Avantageusement, la fabrication peut être réalisée par fabrication additive.
Un autre objet de la présente demande est un système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon l'invention, les rondelles ressorts étant assemblées de sorte qu'au moins deux rondelles ressorts adjacentes aient des conicités orientées dans le même sens, et de sorte qu'au moins deux rondelles adjacentes aient des conicités orientées dans des sens opposés et réalisées d'un seul tenant. Avantageusement, la fabrication peut être réalisée par fabrication additive.
Par exemple, les circuits fluidiques des rondelles ressorts sont connectés entre eux et dans lequel le système comporte un conduit d'alimentation connecté à tous les circuits fluidiques et un conduit d'évacuation connecté à tous les circuits fluidiques.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une rondelle ressort ou d'un système de rondelles ressorts comme décrit auparavant. Ledit procédé de fabrication est réalisé par une fabrication additive.
Avantageusement, ladite fabrication additive est faite en lnconel®718 par fusion de lit de poudre BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
[Fig. 1] est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de rondelle ressort.
[Fig. 2] est une représentation schématique d'une vue de dessus de la rondelle ressort de la figure 1 en transparence montrant la circulation du fluide caloporteur.
[Fig. 3] est une vue en perspective de la vue de coupe de la figure 1.
[Fig. 4A] est une vue en perspective d'un autre exemple de rondelle ressort.
[Fig. 4B] est une vue de dessus de la rondelle ressort de la figure 4A, la paroi supérieure étant supprimée.
[Fig. 5] est une représentation graphique de la charge en N de la rondelle en fonction de l'écrasement en mm pour une rondelle de l'état de la technique et une rondelle selon l'invention.
[Fig. 6A] est une vue en perspective d'un exemple de système de rondelles ressorts disposées en série.
[Fig. 6B] est une vue en coupe du système de la figure 6A.
[Fig. 6C] est une vue en coupe de la figure 6A selon deux plans sécants au niveau de l'axe de la rondelle.
[Fig. 7A] est une vue en perspective d'un exemple de système de rondelles ressorts disposées en parallèle.
[Fig. 7B] est une vue en coupe du système de la figure 7A.
[Fig. 7C] est une vue en coupe de la figure 7A selon deux plans sécants au niveau de l'axe de la rondelle.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures 1 à 3, on peut voir représenté un exemple de rondelle ressort selon l'invention. La rondelle ressort R peut présenter une forme générale tronconique d'axe longitudinal X. Dans ce cas, la rondelle R comporte deux faces annulaires tronconiques 2, 4 reliées par des faces latérales 6, 8 intérieure et extérieure respectivement.
Il est également possible que la rondelle ressort présente une forme générale qui n'est pas tronconique. Par exemple, la forme générale de la rondelle peut être en demi-cercle ou plate. Dans ce cas, les deux faces annulaires peuvent par exemple avoir une forme en demi-cercle ou plate. Lesdites deux faces annulaires sont également reliées par des faces latérales intérieure et extérieure.
De façon générale, un corps de la rondelle est formé par l'ensemble des faces annulaires et latérales. Les figures 1 et 2 montrent le corps de la rondelle formé par les faces annulaires tronconiques (2, 4) et les faces latérales (6, 8).
La rondelle comporte un circuit fluidique 10 ménagé entre ses deux faces annulaires 2, 4 pour la circulation d'un fluide caloporteur, au moins un orifice d'alimentation 12 dudit circuit et au moins un orifice d'évacuation 14 dudit circuit.
Avantageusement les orifices d'alimentation et d'évacuation sont ménagés dans la face latérale extérieure 6, dans au moins une partie qui reste accessible même après assemblage la rondelle dans le système dans lequel elle est utilisée.
Le circuit fluidique 10 est configuré pour permettre une circulation du fluide relativement uniforme dans toute la rondelle et assurer ainsi une extraction ou un apport de chaleur relativement uniforme.
Le circuit fluidique 10 comporte au moins un canal fluidique 16.
Dans l'exemple représenté, le circuit fluidique 10 comporte cinq cavités ou canaux 16 de forme circulaire et concentriques. Les canaux sont centrés sur l'axe X.
Dans cet exemple et de manière avantageuse, les canaux sont connectés en parallèle à l'orifice d'alimentation et à l'orifice de sortie. Ainsi un seul orifice d'alimentation et un seul orifice de sorti sont mis en œuvre.
Deux canaux adjacents sont séparés par une paroi circulaire 18 et deux canaux adjacents sont connectés entre eux par des passages formés à travers la paroi 18.
Dans l'exemple représenté, les canaux sont connectés en parallèle à l'orifice d'alimentation 12 par des passages 20 alignés radialement avec l'orifice d'alimentation et sont connectés en parallèle à l'orifice d'évacuation 14 par des passages 22 alignés radialement avec l'orifice d'évacuation 14. La circulation du fluide dans la rondelle ressort est symbolisée par les flèches F.
L'alimentation et l'évacuation en parallèle des canaux offrent l'avantage d'assurer une extraction homogène de la chaleur dans tout le corps de la rondelle.
Dans l'exemple représenté, la rondelle comporte des conduits 24, 26 respectivement reliés à l'orifice d'alimentation et à l'orifice d'évacuation permettant une connexion à un système de circulation du fluide caloporteur. Avantageusement les conduits sont réalisés d'un seul tenant avec le corps de la rondelle ressort.
Le système de circulation est par exemple un circuit fermé comportant par exemple un réservoir de fluide caloporteur, une pompe de circulation et avantageusement un échangeur thermique pour refroidir le fluide caloporteur en sortie de la rondelle dans une application à haute température, ou des moyens pour réchauffer le fluide caloporteur dans une application à basse température.
En variante, le circuit fluidique comporte un canal circulaire radialement à l'intérieur de la rondelle et un canal circulaire radialement à l'extérieur de la rondelle et des canaux radiaux. Le circuit est configuré pour alimenter le canal circulaire radialement à l'intérieur en caloporteur qui va s'écouler dans les canaux radiaux vers le canal circulaire radialement à l'extérieur qui est connecté à l'orifice d'évacuation.
Sur les figures 4A à 4C, on peut voir un autre exemple de rondelle ressort R' comportant un circuit fluidique dans lequel des portions de canaux 28 sont orientées radialement et sont connectées entre elles de sorte à faire circuler le fluide alternativement vers l'extérieur et vers l'extérieur de la rondelle dans la direction radiale. Les portions de canaux 28 sont connectées par des portions de canaux en forme d'arc de cercle 30 situées sur la périphérie radialement extérieure et bordant celle-ci, et des portions de canaux en forme d'arc de cercle 32 situées sur la périphérie radialement intérieur et bordant celle- ci. Les flèches F' symbolisent l'écoulement du fluide. La rondelle comporte des conduits 34, 36 respectivement reliés à l'orifice d'alimentation et à l'orifice d'évacuation permettant une connexion à un système de circulation du fluide caloporteur. Dans cet exemple, les portions de canaux 28 et 30 sont connectées entre elles de sorte que le circuit fluidique comporte deux canaux distincts connectés en parallèle au canal d'alimentation 34 et au conduit d'évacuation 36.
En variante, les portions de canaux 28 et 30 sont connectées entre elles de sorte que le circuit fluidique forme un seul canal connecté au conduit d'alimentation par une extrémité et au conduit d'évacuation par l'autre extrémité.
Le fluide caloporteur peut être un gaz ou un liquide qui par ses propriétés physiques permet de transporter de la chaleur d'un point à un autre.
Le fluide caloporteur gazeux peut être choisi par exemple parmi l'azote, l'hélium, l'air, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau surchauffée. Les fluides halogénés, par exemple le Perfluorocarbure (PFC) et le hydrofluoroéther (HFE), peuvent être utilisés dans des applications requérant leur rigidité diélectrique et leur volatilité.
Le fluide caloporteur liquide peut être choisi parmi les fluides organiques sous forme d'huile minérale ou synthétique pour des températures de fonctionnement inférieures à 350 °C. Pour des applications à plus hautes températures, des fluides caloporteurs de type sels fondus voire métaux liquides peuvent être utilisés.
A titre d'exemple uniquement, la rondelle a un diamètre extérieur de 125 mm, un diamètre intérieur de 51 mm, une épaisseur de 6 mm, une hauteur libre h de 9,4 mm. L'épaisseur e des parois des canaux est égale à 1 mm. L'épaisseur de paroi entre les canaux peut être différente de l'épaisseur des parois des faces 2, 4.
La rondelle ressort à circuit de refroidissement intégré est fabriqué par fabrication additive ce qui permet de réaliser des canaux dans un volume réduit.
La rondelle peut être réalisée par exemple par un procédé par fusion de lit de poudre ou PBF (Powder Bed Fusion en terminologie anglo-saxonne) ou par un procédé de dépôt de matière sous énergie concentrée ou DED (Directed Energy Deposition en terminologie anglo-saxonne). Les procédés PBF consistent à fondre, par exemple au moyen d'un faisceau laser, certaines régions d'un lit de poudre, on parle alors de LBM (Laser Beam Melting en terminologie anglo-saxonne) pour fusion par faisceau laser. Cette méthode offre une meilleure résolution, elle permet de réalises des parois de faibles épaisseurs, de l'ordre de 0,2 mm à 2 mm. Les procédés de fusion de lit de poudre offrent une grande liberté géométrique et une grande flexibilité en production. La méthode LBM est plus adaptée aux matériaux à base fer, nickel et aluminium, et la méthode par fusion par faisceau d'électrons ou EBM (Electron Beam Melting en terminologie anglo-saxonne) est plus adaptée aux matériaux à base titane.
Par exemple, la méthode LBM peut se dérouler comme suit. L'alliage utilisé pour former le lit de poudre se présente sous forme de poudre d'une granulométrie inférieure à 50 pm. Il est étalé par un racleur en lit d'une épaisseur variable entre 30 pm et 50 pm. On utilise par exemple un laser YAG à fibre optique, d'une puissance de 400 à 1 000 W. le faisceau produit par ce laser est orienté par des miroirs pour balayer sélectivement le lit de manière à fusionner les grains dans les zones définies en amont dans un fichier numérique. Le point de fusion dépend de l'alliage métallique utilisé mais au point de focalisation du faisceau laser, la température peut atteindre 2 000 °C, faisant fondre la couche de poudre supérieure mais aussi une ou plusieurs des couches inférieures, créant ainsi localement un bain liquide. La solidification des couches successives formera la pièce. L'ensemble de la production se déroule dans une chambre contrôlée sous atmosphère par exemple d'azote ou d'argon afin d'éviter l'oxydation voire l'inflammation des métaux. De préférence des éléments formant supports sont prévus et fabriqués en même temps que la pièce afin d'assurer son maintien dans le lit et éviter tout risque d'effondrement de celle-ci qui déformerait la géométrie finale de la pièce. Ces supports forment avantageusement le rôle de dissipateurs thermiques, assurant une répartition plus largement dans la pièce la chaleur concentrée autour du point de focalisation.
Dans un autre exemple, on utilise un faisceau d'électrons de haute énergie pour faire fondre et fusionner une poudre métallique. Cette méthode est désignée EBM (Electron Beam Melting en terminologie anglo-saxonne) pour fusion par faisceau électronique. Le procédé se déroule sous vide. Ce procédé offre néanmoins une résolution moins bonne que le procédé LBM.
Les procédés DED consistent à déposer un matériau fondu, par exemple au moyen d'un faisceau laser, d'une résistance électrique, un faisceau d'électrons, un faisceau de lumière UV, le matériau étant amené sous forme solide par exemple sous la forme d'un fil ou de poudre. Avantageusement les conduits sont réalisés simultanément au corps de la rondelle ressort par fabrication additive.
La fabrication de rondelles ressorts par fabrication additive présente également l'avantage de pouvoir fabriquer des rondelles ressorts dans des matériaux qui ne sont généralement pas utilisés pour fabriquer des rondelles ressorts de l'état de la technique, car ils ne sont pas adaptés au procédé de fabrication conventionnels des rondelles ressorts. Des rondelles ressorts présentant des tenues au fluage sensiblement améliorées indépendamment du circuit de caloporteur peuvent être fabriquées.
Un exemple de réalisation de la rondelle par fabrication additive se déroule comme suit : Les dimensions de la rondelle et la forme et les dimensions des canaux du circuit fluidique sont déterminées en fonction de l'application de la rondelle (température, charge...). Un modèle sous forme de fichier numérique est réalisé. Le fichier est chargé dans microordinateur d'une machine mettant en œuvre un procédé comme l'extrusion ou la solidification de poudre métallique, polymère et fil polymère, permettant de créer, étape par étape, la rondelle ressort. La machine imprime séquentiellement chaque couche, l'une au-dessus de l'autre, construisant ainsi un la rondelle ressort réel à l'intérieur de la chambre de construction de la machine. Une fois que la machine a terminé la dernière couche, un cycle de séchage court commence. Puis la rondelle ressort réelle peut être retirée, et potentiellement subir un traitement de finition si nécessaire, tel qu'un ponçage, une cuisson pour la dureté, etc.).
A titre d'exemple, la rondelle ressort peut-être réalisée en un superalliage à base de nickel, par exemple en lnconel®718 par le procédé LBM, i.e. par le procédé par fusion de lit de poudre utilisant le laser pour fondre le matériau, ce qui lui confère un très bonne tenue au fluage à haute température, de l'ordre de 700°C à l'air.
Pour une tenue au fluage à haute température, la rondelle ressort peut également être réalisée en alliage du titane par exemple en TA6V, en acier inoxydable, par exemple 310s acier inoxydable austénitique.
De manière similaire, il est possible de fabriquer des rondelles ressorts présentant une très bonne tenue mécanique à basse température, qui peuvent atteindre -200°C. Par exemple, la rondelle ressort peut être réalisée en S460 carbone-manganèse, A420F.M acier au carbone présentant une fragilité réduite à basse température.
La figure 5 représente la courbes de charge Cl d'une rondelle de l'état de la technique et la courbe de charge C2 d'une rondelle selon l'invention (effort E en N en fonction de l'écrasement EC en mm) pour une rondelle en IN718 ayant les dimensions données ci- dessus. Les rondelles ressorts Cl et C2 ont les mêmes dimensions extérieures.
On constate que la rondelle ressort selon l'invention présente une rigidité égale à environ 60% d'une rondelle ressort de l'état de la technique.
En augmentant l'épaisseur e des parois de la rondelle, on augmente sa rigidité.
De plus, grâce au circuit de caloporteur cette rigidité pourra être conservée à haute température ou à basse température contrairement aux rondelles ressorts de l'état de la technique.
La fabrication additive permet en outre de réaliser des rondelles en plusieurs matériaux, ce qui permet de réaliser une rondelle ressort combinant les avantages des propriétés de ceux-ci. Par exemple, on peut utiliser des matériaux similaires mais ayant des ductilités différentes.
Il peut également être envisagé de faire varier l'épaisseur des parois en fonction des sollicitations mécaniques appliquées à celles-ci. On réalise des parois plus épaisses et donc plus rigides, dans les zones fortement sollicitées, et on réalise des parois avec moins de matière dans les endroits faiblement sollicités pour obtenir une certaine souplesse.
Lorsque l'on souhaite isoler électriquement du système sur lequel est monté la rondelle ressort, on peut avantageusement interposer entre la rondelle ressort et le système, une rondelle céramique formant une interface d'isolation électrique.
Lors de la fabrication par exemple par LBM, le laser fond certaines zones du lit de céramique en poudre, puis c'est un lit de poudre métallique qui est formé sur l'embase ainsi formée pour fabriquer le reste de la rondelle.
Sur les figures 6A à 6C, on peut voir un exemple de réalisation d'un système de rondelles ressorts RI montées en série et présentant une rigidité augmentée. Dans un assemblage les rondelles ressorts sont superposées et deux rondelles adjacentes sont disposées de sorte à avoir leurs conicités orientées dans des sens opposées. Les rondelles sont réalisées d'un seul tenant par fabrication additive et les circuits fluidiques des rondelles sont connectés entre eux. Un conduit d'alimentation 38 commun à tous les circuits est prévus à une extrémité longitudinale du système et un conduit d'évacuation 40 commun à tous circuits fluidiques est prévu à l'autre extrémité longitudinale du système. Les conduits 38 et 40 sont diamétralement opposés. En variante les deux conduits 38 et 40 s'étendent du même côté ou dans des plans sécants et/ou sont situés au niveau de la même extrémité longitudinale.
Les flèches Fl symbolisent la circulation du fluide dans le circuit fluidique.
Ce système présente en outre également l'avantage d'offrir une manipulation simplifiée puisqu'il est d'un seul tenant.
Les rondelles sont réalisées d'un seul tenant par fabrication additive et au moins un circuit fluidique est formé dans le système de rondelles. Ce système présent en outre l'avantage d'offrir une manipulation simplifiée puisqu'il est d'un seul tenant.
Sur les figures 7A à 7C, on peut voir un exemple de réalisation d'un système de rondelles R2 montées en parallèle et présentant un débattement augmenté. Dans un assemblage les rondelles ressorts R sont superposées en ayant leurs conicités orientées dans le même sens.
Des conduits d'alimentation 42 et d'évacuation 44 sont prévus aux extrémités du système. La circulation du fluide entre les rondelles est obtenue par des orifices 46 formés dans les faces annulaires des rondelles assurant une connexion des circuits fluidiques entre eux. Les flèches F2 symbolisent la circulation du fluide dans le circuit fluidique. Le liquide sous pression s'écoule successivement dans les étages de l'entrée vers la sortie.
Comme pour les conduits 38 et 40, la disposition relative des conduits 42 et 44 sur la figure 7A n'est pas limitative.
Dans un autre exemple, le système comporte au moins deux rondelles ressorts montées en parallèle et au moins deux rondelles montées en série.
Les systèmes des figures 6A à 6C et 7A à 7C permettent un stockage d'énergie. L'utilisation de plusieurs matériaux permettant de combiner les propriétés de ces matériaux est particulièrement intéressante dans les systèmes de rondelles ressorts en série et en parallèle.
La rondelle ressort selon l'invention est particulièrement adaptée à une utilisation dans des environnements à hautes températures, par exemple pour un montage sur un électrolyseur haute température, par exemple dans le domaine spatial, par exemple dans les satellites et moteurs de fusée, dans le domaine de la sidérurgie, dans des fours dans lequel des éléments doivent être mis en pression, dans le domaine de l'aéronautique, par exemple dans les réacteurs d'avions de chasse, ou de lignes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Rondelle ressort comportant un corps intégrant un circuit fluidique (10) destiné à la circulation d'un fluide caloporteur, la rondelle comportant deux faces annulaires (2, 4) reliées par des faces latérales (6, 8) intérieure et extérieure respectivement, ledit circuit fluidique (10) étant ménagé entre lesdites deux faces annulaires (2, 4).
2. Rondelle ressort selon la revendication 1, dans laquelle les deux faces annulaires (2, 4) sont de forme tronconique.
3. Rondelle ressort selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le circuit fluidique comporte des canaux répartis dans un corps de la rondelle ressort.
4. Rondelle ressort selon au moins une des revendications précédentes , dans laquelle le circuit fluidique comporte une pluralité de canaux concentriques connectés en parallèle.
5. Rondelle ressort selon au moins une des revendications précédentes, dans laquelle le circuit fluidique comporte au moins un orifice d'alimentation (12) en fluide caloporteur et au moins un orifice d'évacuation (14) en fluide caloporteur, lesdits orifices d'alimentation (12) et d'évacuation (14) étant formés dans un bord latéral extérieur du corps de la rondelle ressort.
6. Rondelle ressort selon la revendication 5, comportant un canal d'alimentation connecté à l'orifice d'alimentation (12) et un canal d'évacuation connecté à l'orifice d'évacuation (14), lesdits conduits étant destinés à être connectés à un système de circulation d'un fluide caloporteur, lesdits conduits étant réalisés d'un seul tenant avec le corps de la rondelle.
7. Rondelle ressort selon au moins une des revendications précédentes, ladite rondelle ressort étant au moins en partie en un superalliage à base de nickel.
8. Rondelle ressort selon au moins une des revendications précédentes, comportant des parties réalisées en des matériaux différents et/ou présentant des propriétés mécaniques différentes.
9. Système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon au moins une des revendications précédentes, les rondelles étant assemblées de sorte à avoir toutes les conicités orientées dans le même sens et réalisées d'un seul tenant.
10. Système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon au moins une des revendications 1 à 8, lesdits rondelles étant assemblées de sorte que deux rondelles ressorts adjacentes présentent des conicités orientées dans des sens opposés et réalisées d'un seul tenant.
11. Système de rondelles ressorts comportant plusieurs rondelles ressorts selon au moins une des revendications 1 à 8, les rondelles étant assemblées de sorte qu'au moins deux rondelles ressorts adjacentes aient des conicités orientées dans le même sens, et de sorte qu'au moins deux rondelles adjacentes aient des conicités orientées dans des sens opposés et réalisées d'un seul tenant.
12. Système de rondelles ressorts selon au moins une des revendications 9 à 11, dans lequel les circuits fluidiques des rondelles ressorts sont connectés entre eux et dans lequel le système comporte un conduit d'alimentation connecté à tous les circuits fluidiques et un conduit d'évacuation connecté à tous les circuits fluidiques.
13. Procédé de fabrication d'une rondelle ressort selon au moins une des revendications 1 à 8 ou d'un système de rondelles ressorts selon au moins une des revendications 9 à 12 dans lequel la fabrication est réalisé par une fabrication additive.
14. Procédé de fabrication selon la revendication 12 dans lequel la fabrication est faite en lnconel®718 par fusion de lit de poudre.
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