FR2973578A1 - Convertisseur thermo-mecano-electrique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un convertisseur thermo-mécano-électrique comprenant une pluralité d'éléments bistables à mémoire de forme (1) noyés dans un matériau élastique (10) solidaire d'un matériau piézoélectrique.

Description

B10938 - 11-GR3-0141 1 CONVERTISSEUR THERMO-MÉCANO-ÉLECTRIQUE
Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif adapté à produire de l'électricité à partir d'une source chaleur, ou générateur électrique. Elle vise plus particulièrement la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique puis en énergie électrique pour constituer un générateur thermo-mécanoélectrique. Exposé de l'art antérieur On connaît divers dispositifs pour convertir une énergie thermique en une énergie mécanique, ces dispositifs comprenant notamment des éléments bilames dont la conformation varie avec la température. De tels éléments bilames sont notamment utilisés comme interrupteurs électriques. On connaît également divers dispositifs, à base de 15 matériaux piézoélectriques pour convertir une énergie mécanique en énergie électrique. Il existe un besoin de dispositifs pouvant avoir des dimensions très variables et de faibles coûts pour convertir de l'énergie thermique en énergie électrique. 20 Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif de conversion B10938 - 11-GR3-0141
2 d'énergie thermique en énergie mécanique puis en énergie électrique palliant au moins certains des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Un objet plus particulier d'un mode de réalisation de 5 la présente invention est de prévoir un tel dispositif simple à réaliser et pouvant être réalisé à faible coût. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel dispositif pouvant avoir de grandes dimensions. 10 Ainsi un mode de réalisation de la présente invention prévoit un convertisseur thermo-mécano-électrique comprenant une pluralité d'éléments bistables à mémoire de forme noyés dans un matériau élastique solidaire d'un matériau piézoélectrique. Par "solidaire d'un matériau piézoélectrique" on 15 entend que le matériau élastique peut avoir des propriétés piézoélectriques ou bien que le matériau élastique est combiné à une couche d'un matériau piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments sont directement noyés dans une couche ou film 20 d'un matériau piézoélectrique élastique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau piézoélectrique élastique est un polymère. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau piézoélectrique élastique est du polyfluorure de 25 vinylidène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les lamelles sont disposées dans une couche d'un matériau élastique revêtue d'un matériau piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 les éléments à mémoire de forme sont en forme de lamelles. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments à mémoire de forme sont des éléments de type bilame.
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3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments à mémoire de forme sont assemblés en une lame ou une plaque comprenant un grand nombre d'éléments solidaires. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1A est une vue de dessus d'un exemple d'élément bilame bistable ; les figures 1B et 1C sont des vues en demi-coupe et en perspective de l'élément bilame bistable de la figure 1A dans chacune de ses deux configurations ; la figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisa-15 tion d'un générateur thermo-mécano-électrique ; la figure 3 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un générateur thermo-mécano-électrique ; la figure 4 est une vue de dessus d'un exemple d'éléments bilames bistables s'étendant dans une direction ; et 20 la figure 5 est une vue de dessus d'éléments bilames bistables s'étendant dans un plan. Description détaillée On utilise ici un élément thermiquement bistable ayant une première configuration géométrique en dessous d'une première 25 température et une deuxième configuration géométrique au-dessus d'une deuxième température, les première et deuxième températures étant espacées d'un intervalle d'hystérésis. Parmi de tels éléments bistables, on pourra utiliser des éléments bilames du type de celui représenté en figures 1A à 30 1C. La figure 1A est une vue de dessus d'une lamelle bilame 1 munie en son centre d'une protubérance 3. La lamelle a, au repos, par exemple à basse température, la position illustrée en perspective et en demi-coupe en figure 1B, c'est-à-dire 35 qu'elle est courbée vers le haut. Quand la température s'élève à B10938 - 11-GR3-0141
4 une première valeur de transition, la lamelle prend la position illustrée en figure 1C, c'est-à-dire qu'elle est courbée vers le bas. Ensuite, quand la température diminue jusqu'à atteindre une deuxième valeur de transition séparée de la première valeur par un intervalle d'hystérésis, la lamelle reprend la position illustrée en figure 1B. En choisissant convenablement les matériaux constitutifs de la lamelle, la première température de transition peut être choisie de façon déterminée, par exemple 37°C, 65°C ou 100°C et la valeur d'hystérésis peut être de l'ordre de 5 à 20°C. Comme on l'a souligné précédemment, la lamelle bilame bistable illustrée en figures 1A, 1B, 1C ne constitue qu'un exemple d'élément mécaniquement bistable. On pourra choisir un élément bilame ayant toute autre configuration. On pourra également choisir un élément autre qu'un bilame, par exemple un élément constitué d'un matériau à mémoire de forme. On désignera ci-après par "élément à mémoire de forme" tout élément mécaniquement bistable prenant l'une ou l'autre de deux configurations géométriques en fonction de la température, tel que décrit ci-dessus, qu'il soit constitué d'un bilame ou de tout autre matériau ou combinaison de matériaux. La figure 2 représente un mode de réalisation d'un générateur thermo-mécano-électrique.
Ce générateur comprend un film ou couche d'un matériau piézoélectrique élastique, par exemple un matériau piézo-électrique organique, tel qu'un polymère, par exemple du polyfluorure de vinylidène (couramment désigné par l'acronyme PVDF, de l'anglais : PolyVinyliDeneFluoride). A l'intérieur de ce matériau sont noyés des éléments à mémoire de forme bistables 1, par exemple tels que celui représenté en figures 1A-1C. Le matériau piézoélectrique 10 est revêtu sur ses deux faces de couches conductrices, par exemple de couches métalliques, 12 et 14.
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En fonctionnement, la structure ou feuille illustrée en figure 2 est disposée entre une source chaude et une source froide. La source chaude est à une température supérieure à la première température de transition et la source froide est à une 5 température inférieure à la deuxième température de transition. En supposant que la feuille est initialement, à froid, telle que tous les éléments à mémoire de forme sont dans un premier état, les éléments disposés le plus près de la source chaude tendront à changer de configuration après avoir atteint la première température de transition. Certains au moins de ces éléments auront alors des parties qui se rapprocheront du côté froid de la feuille et de ce fait tendront à recommuter vers leur autre configuration. Ces mouvements se répètent indéfiniment, pour au moins certains des éléments à mémoire de forme et on obtiendra ainsi des contraintes répétées sur le matériau piézoélectrique. Il en résulte la génération d'une tension entre des bornes reliées aux électrodes 12 et 14. Bien que cela ne soit pas représenté, on comprendra que, par suite de la déformation des éléments à mémoire de forme, les surfaces apparentes de la feuille seront amenées à se déformer, cette déformation étant plus ou moins importantes selon l'élasticité du matériau 10. On a décrit précédemment le cas où les éléments à mémoire de forme sont placés de façon aléatoire à l'intérieur de la structure. On pourra également prévoir de disposer ces éléments régulièrement, par exemple sensiblement au centre de la feuille, avec une orientation convenable pour favoriser la commutation de tous les éléments et pas seulement de certains d'entre eux.
La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif décrit ici. Dans ce cas, la couche de matériau piézoélectrique 10 comprise entre les métallisations 12 et 14 est disposée sur la surface supérieure d'un film ou couche de matériau élastique 20, de préférence disposée sur un support rigide 22. Ainsi, les passages d'un état à l'autre des éléments B10938 - 11-GR3-0141
6 à mémoire de forme 1 noyés dans la couche élastique 20 réagiront sur la couche piézoélectrique 10 pour fournir des tensions entre les bornes des électrodes associées à cette couche. Comme on l'a indiqué précédemment, le dispositif décrit précédemment est susceptible de nombreuses variantes. Il peut être de grandes dimensions, les lamelles à mémoire de forme ayant par exemple une longueur de l'ordre de 3 cm et une largeur de l'ordre de 1 cm. On peut également prévoir des éléments à mémoire de 10 forme de très petites dimensions, par exemple millimétriques ou même micrométriques. Par ailleurs, comme l'illustre la figure 4, au lieu de prévoir des lamelles séparées, on pourra prévoir des lames 30 constituées de la mise bout à bout de lamelles telles que celles 15 décrites précédemment. On pourra également prévoir que les lamelles sont rassemblées en des plans 40 comme cela est illustré en figure 5. On aura alors une lame ou une feuille de matériau à mémoire de forme bistable qui pourra être disposée à l'intérieur d'une couche piézoélectrique ou d'un matériau 20 élastique lié à cette couche piézoélectrique. Bien que l'on ait représenté des éléments en forme de lamelles, toute autre configuration, par exemple en étoile, circulaire ou autre, des éléments à mémoire de forme pourra être prévue.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Convertisseur thermo-mécano-électrique comprenant une pluralité d'éléments bistables à mémoire de forme (1) noyés dans un matériau élastique (10 ; 20) solidaire d'un matériau piézoélectrique.
  2. 2. Convertisseur selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments sont directement noyés dans une couche ou film d'un matériau piézoélectrique élastique {10).
  3. 3. Convertisseur selon la revendication 2, dans lequel le matériau piézoélectrique élastique est un polymère.
  4. 4. Convertisseur selon la revendication 3, dans lequel le matériau piézoélectrique élastique est du polyfluorure de vinylidène.
  5. 5. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments à mémoire de forme sont en 15 forme de lamelles.
  6. 6. Convertisseur selon la revendication 5, dans lequel les lamelles sont disposées dans une couche d'un matériau élastique (20) revêtue d'un matériau piézoélectrique (10).
  7. 7. Convertisseur selon l'une quelconque des revendica- 20 tions 1 à 6, dans lequel les éléments à mémoire de forme sont des éléments de type bilame.
  8. 8. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments à mémoire de forme sont assemblés en une lame ou une plaque comprenant un grand nombre 25 d'éléments solidaires.
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