FR3110172A1

FR3110172A1 - Moyen de stockage de la chaleur avec une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion

Info

Publication number: FR3110172A1
Application number: FR2004914A
Authority: FR
Inventors: Patrick Herbault
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-17
Filing date: 2020-05-17
Publication date: 2021-11-19

Abstract

Moyen de stockage de la chaleur avec une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion L’invention concerne les moyens de stockage de l’énergie thermique pour des bouillottes, des chaufferettes et autres contenants analogues. Le moyen de stockage de la chaleur comporte un matériau à changement de phase qui est une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion. En référence à de l’eau portée à 100°C, le matériau à changement de phase (L) va alors représenter une augmentation d’énergie calorique supplémentaire de l’ordre de 25 % grâce à la chaleur latente. Ce moyen de stockage peut alors être utilisé par exemple pour réchauffer le corps humain ou bien pour maintenir en température des aliments. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 3.

Description

Moyen de stockage de la chaleur avec une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion

DOMAINE DE L'INVENTION AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION

L’invention concerne les moyens de stockage de l’énergie thermique pour des bouillottes, des chaufferettes et autres contenants analogues tels que des assiettes chauffantes.

ART ANTERIEUR

Il est connu d’utiliser de l’eau chaude, frémissante voire bouillante pour remplir une bouillotte, une chaufferette ou d’autre contenants analogues tels que des assiettes chauffantes.

Une fois la bouillotte remplie, l’ensemble du contenant qu’est la bouillotte et l’eau qu’elle contient va progressivement refroidir. La température va baisser selon une exponentielle décroissante vers une température asymptote.

Il est également connu au lieu d’utiliser simplement de l’eau, d’utiliser un matériau à changement de phase qui représente une réserve de chaleur latente comme décrit dans le brevet US6968888B2.

La température de changement de phase doit être adaptée à la température à laquelle on souhaite maintenir l’ensemble au chaud.

Un tel exemple de matériau à changement de phase est une solution à 20% d’acétate de sodium trihydraté avec une température de changement de phase d’environ 50°C.

Ce matériau à changement de phase n’est pas toxique et il est donc possible de le verser en substitution de l’eau directement comme précédemment dans la bouillotte ou un autre contenant.

Usuellement, ce produit est plutôt commercialisé sous forme de contenant souple avec le liquide et une pastille métallique souple pour déclencher une fois refroidi le changement de phase qui génère la chaleur latente stockée.

Si on laisse le matériau à changement de phase classique se refroidir avant d’utiliser la bouillotte, il va revenir à température ambiante en restant liquide.

Lorsqu’on déclenchera le changement de phase, une partie de la chaleur latente de changement de phase va être perdue pour élever également la température du liquide depuis la température ambiante par exemple de 25°C à environ 50°C et transformer le liquide en sel solide.

Ainsi il n’est pas possible de cumuler à la fois la quantité de chaleur obtenue en chauffant le liquide à changement de phase et la quantité de chaleur latente liée au changement de phase avec une solution à 20% d’acétate de sodium trihydraté ainsi conditionnée.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

Selon l’invention le moyen de stockage de la chaleur comporte un matériau à changement de phase sans surfusion.

De façon privilégiée le matériau à changement de phase (L) est une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion.

Le moyen d’empêcher la surfusion peut être notamment la présence d’impuretés, ou la présence d’au moins un monocristal ou bien d’au moins un floculant.

Le matériau à changement de phase remplit au moins un contenant souple de préférence immergé dans un liquide tel que de l’eau.

Ce contenant souple est à l’intérieur d’un contenant qui dispose d’un moyen qui permet de le remplir, d’un moyen qui permet de le fermer et d’un canal de mise à l’air qui permet d’évacuer la vapeur si l’eau est portée à ébullition.

De façon avantageuse, le contenant contient une pluralité de contenants souples remplis de matériau à changement de phase dont la taille permet de les introduire dans le contenant.

Selon les modes de réalisation le contenant peut-être une bouillotte, ou également d’une chaufferette ou encore un ustensile de cuisine.

En termes d’utilisation, un matériau à changement de phase sans surfusion est utilisé comme moyen de stockage de la chaleur.

Son utilisation est facilitée s’il est conditionné sous la forme d’une pluralité de contenants souples remplis de matériaux à changement de phase. Le matériau à changement de phase est encapsulé dans les contenants souples.

L’utilisation d’un matériau à changement de phase sans surfusion peut être l’utilisation d’une solution d’acétate de sodium trihydraté utilisée comme moyen de stockage de la chaleur.

Ces utilisations peuvent être faites par exemple pour réchauffer le corps humain ou bien pour maintenir en température des aliments.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés

montre une bouillotte classique.

montre une bouillotte selon l’invention comportant un moyen d’accumuler de l’énergie sous forme d’une masse de matériau à changement de phase.

montre la courbe de décroissance de température d’un moyen d’accumuler de l’énergie sous forme d’une masse de matériau à changement de phase comparée à celle de l’eau.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Il est recherché de cumuler à la fois la quantité de chaleur obtenue en chauffant le matériau à changement de phase (L) et la quantité de chaleur latente liée au changement de phase.

L’invention consiste à empêcher le phénomène de surfusion de façon à ce que le matériau à changement de phase (L) porté au-dessus de sa température de fusion, change effectivement de phase au cours de son refroidissement à la température normale de fusion de l’ordre de 50°C. Ainsi l’utilisateur n’a pas à intervenir pour déclencher le changement de phase.

Cela ne nécessite donc plus l’action sur la pastille métallique, ni donc sa présence. A noter de plus que cette présence est théoriquement incompatible d’un four micro-ondes.

Pour cela il convient d’ajouter au matériau (L) un moyen d’empêcher la surfusion.

Ce moyen pour empêcher la surfusion peut être l’ajout d’impuretés ou l’ajout d’un monocristal ou l’ajout d’un floculant. Ce floculant est un polymère qui pourrait être des copolymères d'acrylamide et d'acide acrylique ou encore des polyacrylamides.

Il reste possible de chauffer le matériau à changement de phase (L) dans un récipient séparé comme pour l’eau (E) et de le verser ensuite chaud dans le contenant (C).

Il est privilégié de pouvoir chauffer le matériau à changement de phase (L) à l’intérieur du contenant (C), par exemple à l’intérieur d’un four micro-ondes.

Il est possible d’utiliser un contenant unique (CS) souple rempli du matériau à changement de phase (L) et sans pastille métallique.

Le contenant doit être au minimum suffisamment souple pour absorber la différence de volume du matériau à changement de phase entre la forme solide et la forme liquide.

Du fait que ce contenant (CS) est scellé, il présente un risque si l’utilisateur porte le matériau à changement de phase (L) en ébullition.

Il est privilégié de mettre ce contenant souple (CS) immergé dans de l’eau (E) ce qui permettra de précéder l’ébullition du matériau à changement de phase (L) contenu dans les contenants souples (CS) par une alerte par l’ébullition de l’eau (E) à 100°C.

Ceci s’applique dans le cas où le matériau à changement de phase (L) est présent dans le contenant (C) tel qu’une bouillotte au moment où l’ensemble est chauffé par exemple dans un four micro-ondes.

Il est avantageux que le contenant (C) ait une paroi au moins en partie transparente pour visualiser l’état du matériau à changement de phase (L).

Selon un de réalisation illustré figure 2, le contenant (C) dispose d’un moyen de le remplir en l’occurrence un orifice (O), d’un moyen de le fermer en l’occurrence d’un bouchon (B) et d’un canal (A) de mise à l’air qui permet d’évacuer la vapeur si l’eau (E) est portée à ébullition.

De façon avantageuse cette mise à l’air libre (A) peut être équipée d’une soupape ou d’un clapet taré par exemple à 0.5 bar empêchant d’aller au-delà de 110°C. Cette valeur de suppression de 0.5 bar est suffisante pour empêcher l’eau de ressortir pendant la manipulation du contenant (C) au cours de la phase de maintien en température.

Comme représenté figure 2, il est privilégié une pluralité de contenants souples (CS) remplis de matériau à changement de phase (L) dont la taille permet de les introduire par l’orifice (O). Typiquement comme représentés, ces contenants (CS) auraient la forme d’une petite boule de la taille d’une bille.

De préférence le contenant souple est transparent ou a minima translucide pour visualiser sans avoir à le toucher le fait que le matériau à changement de phase (L) soit liquide ou solide.

Il est possible de colorer le contenant souple ou le matériau à changement de phase (L) pour le repérer visuellement.

En référence à de l’eau (E) portée à 100°C, le matériau à changement de phase (L) va alors représenter une augmentation d’énergie calorique supplémentaire de l’ordre de 25 % grâce à la chaleur latente.

Cet apport d’énergie supplémentaire va également se traduire au niveau de l’accumulation thermique par un plateau à température quasi-constante pendant le changement de phase au lieu de la baisse de température en décroissance exponentielle vers l’asymptote qui est usuellement la température ambiante.

A la fin du plateau, la baisse de température reprendra en décroissance exponentielle vers l’asymptote qui est usuellement la température ambiante.

Cette phase de plateau de la température du moyen d’accumuler l’énergie calorique va bénéficier au plat (2) qu’il faut maintenir à température.

La figure 3 illustre par un graphique la différence entre le mode de réalisation par une masse d’eau (E) classique illustré figure 1 et le mode de réalisation selon l’invention par une masse de matériau à changement de phase (L) illustré figure 6.

Sur cette figure 3, le graphique a pour axes en abscisse le temps qui s’écoule exprimé en minutes et en ordonnée la température du moyen (M) en degré Celsius.

Entre le moment où le matériau à changement de phase (L) est porté potentiellement à 100°C et le moment où la bouillotte sera remplie, l’ensemble aura déjà eu le temps de refroidir à titre d’exemple à 75 °C.

A partir d’un même point départ à 75°C, la température du moyen (M) va décroitre suivant une exponentielle décroissante vers l’asymptote qui est la température ambiante dans ce cas à 25°C.

Cette décroissante est à titre d’exemple d’un degré par minute, puis d’un degré par 2 minutes, puis d’un degré par 4 minutes, etc.

Dans un premier temps les courbes (CE1) de l’eau (E) et (CL1) du matériau à changement de phase (L) (CP) ont la même allure.

En dessous de la température de fusion, l’eau (E) va poursuivre sa décroissance figurée par la courbe en pointillé (CE2).

A la température de fusion, le matériau à changement de phase (L) va se maintenir à une température quasiment constante le temps du changement de phase quand le matériau à changement de phase (L) va progressivement se transformer en sel solide. Ceci est représenté pour la courbe en trait plein sous la forme d’un plateau (2).

A la fin de ce plateau, la température reprend sa décroissance de façon exponentielle vers la température ambiante représentée en trait plein (CL2).

De même pendant la montée en température pendant l’accumulation de chaleur, il existera une phase plateau pendant laquelle la température se stabilisera le temps du changement de phase.

Par exemple, si le matériau à changement est disposé à l’intérieur d’un four micro-ondes d’une puissance de 800 W, l’augmentation de température sera linéaire entre la température ambiante par exemple 25°C et la température de fusion de l’ordre de 50°C, puis stabilisée à la température de fusion plusieurs minutes le temps du changement de phase puis de nouveau sera une augmentation linéaire.

Ceci présente l’intérêt qu’en termes de mode d’emploi, la durée de chauffage dans le four micro-ondes pour obtenir une température du moyen (M) de l’ordre de la température de fusion autorise une marge d’erreur pour l’utilisateur.

Autrement la température atteinte est linéaire en fonction du temps passé dans le four micro-ondes avec un risque de brûlure.

Il est possible en fonction de la température souhaitée de choisir d’autres matériaux à changement de phase pour une zone de température entre 40°C et 70°C.

A titre d’exemple, il est possible d’utiliser l'alcool cétylique avec un point de fusion à 49° C, l’acide myristique avec un point de fusion à 59° C, l'acide palmitique avec un point de fusion à 63° C ou l'acide stéarique avec un point de fusion à 69° C.

Dans l’option où le matériau à changement de phase (L) est encapsulé dans des contenants souples (CS), il est possible de répartir les contenants souples (CS) en les remplissant des différents matériaux à changement de phase avec des températures différentes et étagées.

L’utilisateur visualisera alors la montée en température en fonction de la proportion de contenants souples qui contiennent soit un solide soit un liquide. Cette visualisation sera facilitée par le fait que chaque matériau à changement de phase sera identifié par une coloration qui lui sera propre.

Dans ce cas, l’utilisateur aura pendant la montée en température fait d’une succession de plateaux la possibilité de s’arrêter à une température de 50°C par exemple pour une viande ou de poursuivre sur d’autres valeurs jusqu’à 70°C par exemple pour une boisson chaude.

En termes d’utilisation, la mise en œuvre de l’invention dépend du contexte d’utilisation.

Si par exemple il s’agit d’une bouillotte existante, il est possible de remplacer l’eau (E) par le matériau à changement de phase (L).

Il faut alors chauffer dans un récipient le matériau à changement de phase (L) solide à température ambiante au-delà de la température de fusion pour qu’il devienne liquide.

Ensuite, il faut le verser dans le contenant (C) qui dans ce cas est la bouillotte.

Quand la bouillotte après utilisation sera refroidie, alors le matériau à changement de phase (L) sera redevenu solide.

Pour l’utiliser à nouveau, il suffira de réchauffer l’ensemble constitué du contenant (C) et du matériau à changement de phase (L) redevenu solide.

Si le contenant (C) le permet, il est alors possible de le réchauffer dans un four micro-ondes.

Si le contenant (C) comporte une partie métallique comme cela peut être le cas d’un bouchon de bouillotte, il faut alors par exemple réchauffer l’ensemble dans un grand récipient d’eau bouillante ce qui n’est pas pratique du tout.

Il est alors plus avantageux selon l’invention que le matériau à changement de phase soit conditionné sous la forme d’une pluralité de contenants souples (CS) remplis de matériau à changement de phase (L).

La taille de ces contenants souples par exemple sous forme de boules de la taille d’une bille permet de les introduire dans le contenant (C) que le matériau à changement de phase (L) soit sous forme liquide ou solide.

Dans un premier cas, ces contenants souples (CS) remplis de matériau à changement de phase (L) peuvent être chauffés directement dans le contenant (C) si par exemple le contenant (C) est compatible dans un four micro-ondes.

Dans le cas contraire, les contenants souples (CS) remplis de matériau à changement de phase (L) peuvent être chauffés dans un récipient remplis d’eau bouillante puis versés dans le contenant (C).

Après utilisation, il est également possible de les récupérer dans une passoire pour une nouvelle utilisation.

Il est effectivement avantageux que les contenants souples (CS) soient immergés dans de l’eau (E). Cela présente l’avantage d’une meilleure conduction thermique pendant la phase accumulation d’énergie thermique ainsi que pendant la phase restitution, les contenants souples (CS) pouvant n’être que ponctuellement en contact avec les parois intérieures du contenant (C).

L’invention peut être utilisée pour réchauffer le corps humain. Dans ce cadre une température de fusion de l’ordre de 50°C convient tout à fait. Le matériau à changement de phase (L) qu’est une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion est tout à fait adapté.

L’invention peut être également utilisée pour maintenir en température des aliments comme par exemple dans une assiette chauffante. Dans ce cadre plusieurs autres matériaux à changement de phase sont disponibles.

A titre d’exemple, comme déjà indiqué, il est possible d’utiliser l'alcool cétylique avec un point de fusion à 49° C, l’acide myristique avec un point de fusion à 59° C, l'acide palmitique avec un point de fusion à 63° C ou l'acide stéarique avec un point de fusion à 69° C.

Chacun des matériaux à changement de phase peuvent être proposés et commercialisées séparément.

L’utilisateur peut également dans ce cas utiliser une combinaison de ces matériaux à changement (L) de phase à sa convenance.

Il est également possible de lui proposer une gamme ou plusieurs gammes combinant des matériaux à changement de phase (L) différents avec des étagements de température de fusion.

En termes d’application industrielle, le moyen de stockage de l’énergie thermique selon l’invention s’applique dans le domaine des bouillottes et chaufferettes pour réchauffer le corps humain ainsi que dans le domaine des ustensiles de cuisine pour maintenir à température un plat chaud.

La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit pour une gamme de produits dans différents domaines.

Claims

Moyen (M) de stockage de la chaleur caractérisé en qu’il comporte un matériau à changement de phase (L) qui est une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion.
Moyen (M) selon la revendication 1 est que le moyen (M) comporte la présence d’impuretés.
Moyen (M) selon la revendication 1 est que le moyen (M) comporte la présence d’au moins un monocristal.
Moyen (M) selon la revendication 1 est que moyen (M) comporte la présence d’au moins un floculant.
Moyen (M) selon l’une quelconques des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que le matériau à changement de phase (L) remplit au moins un contenant souple (CS).
Moyen (M) selon la revendication 5 caractérisé par le fait que le contenant souple (CS) est immergé dans un liquide.
Moyen (M) selon l’une quelconques des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le matériau à changement de phase (L) est à l’intérieur d’un contenant (C).
Moyen (M) selon la revendication 7 caractérisé par le fait que le contenant (C) dispose d’un moyen qui permet de le remplir, d’un moyen qui permet de le fermer et d’un canal (A) de mise à l’air.
Moyen (M) selon la revendication 8 caractérisé par le fait que le contenant (C) contient une pluralité de contenants souples (CS) remplis de matériau à changement de phase (L) dont la taille permet de les introduire dans le contenant (C).
Moyen (M) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé par le fait que le contenant (C) est une bouillotte.
Moyen (M) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé par le fait que le contenant (C) est une chaufferette.
Moyen (M) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé par le fait que le contenant (C) est un ustensile de cuisine.
Utilisation d’un matériau à changement de phase (L) caractérisé par le fait qu’il soit une solution d’acétate de sodium trihydraté sans surfusion utilisée comme moyen (M) de stockage de la chaleur.
Utilisation d’un matériau à changement de phase (L) selon la revendication 13 caractérisée par le fait qu’il soit utilisé pour réchauffer le corps humain.
Utilisation d’un matériau à changement de phase (L) selon la revendication 13 caractérisée par le fait qu’il soit utilisé pour maintenir en température des aliments.