FR3121741A1 - Module de transfert thermique et ensemble de régulation thermique correspondant, notamment pour véhicule automobile - Google Patents

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Alcina Tanghe
Michael Lissner
Georges De Pelsemaeker
Morane CHAUMETTE
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Abstract

Module de transfert thermique et ensemble de régulation thermique correspondant, notamment pour véhicule automobile L’invention concerne un module de transfert thermique (5) pour véhicule automobile, configuré pour être agencé en contact thermique avec une surface à réguler thermiquement, le module de transfert thermique (5) comportant un dissipateur thermique (15), une source thermique (17), et une membrane (9) agencée entre le dissipateur thermique (15) et la source thermique (17), la membrane (9) comprenant au moins une couche (91) de matériau électrocalorique comprenant du polymère apte à présenter une variation de température lors d’une application d’une tension d’alimentation électrique. Selon l’invention, le module de transfert thermique (5) comporte un dispositif d’entraînement de la membrane (9) alternativement en contact thermique avec le dissipateur thermique (15) et la source thermique (17), avec une fréquence de commutation comprise entre 1Hz et 5Hz. L’invention concerne encore un ensemble de régulation thermique (1) comprenant un tel module de transfert thermique (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Module de transfert thermique et ensemble de régulation thermique correspondant, notamment pour véhicule automobile
Le domaine de la présente invention est la régulation thermique en particulier dans les véhicules automobiles. L’invention concerne notamment la régulation thermique des batteries dans les véhicules électriques ou hybrides. L’invention concerne notamment la régulation thermique de surfaces et/ou d’espaces dans l’habitacle d’un véhicule automobile. En particulier, l’invention concerne un module de transfert thermique destiné à être utilisé pour de telles régulations thermiques.
Généralement, la gestion thermique des batteries par exemple peut être assurée grâce à un système de refroidissement différent en fonction de l’architecture et des besoins.
Selon une solution connue, le système de refroidissement permet un refroidissement direct en diffusant un flux d’air dans le boîtier de la batterie. Si l’air ambiant est trop chaud, un évaporateur d’une boucle de climatisation d’une installation de chauffage et/ou ventilation et/ou climatisation du véhicule automobile peut être utilisé pour refroidir le flux d’air et améliorer le refroidissement. Cette solution est principalement utilisée pour des batteries à puissance limitée et non pour des batteries à forte puissance.
Selon une autre solution connue, la batterie est installée directement sur un échangeur thermique d’une boucle de climatisation du véhicule automobile, dans lequel est destiné à circuler du réfrigérant. Cependant, cela nécessite d’activer la boucle de climatisation dès qu’un refroidissement de la batterie est nécessaire.
Selon encore une autre solution, un refroidissement indirect de la batterie peut être obtenu en utilisant une boucle de refroidissement de la batterie comprenant un refroidisseur de batterie dans lequel est destiné à circuler un liquide de refroidissement, sur lequel est disposé la batterie. La boucle de refroidissement est connectée à la boucle de climatisation du véhicule automobile via un échangeur thermique nommé refroidisseur. De façon à augmenter la capacité de refroidissement, le liquide de refroidissement peut être refroidi en circulant dans le refroidisseur commun aux deux boucles, ce qui nécessite donc également d’activer la boucle de climatisation.
L’échangeur thermique dans lequel peut circuler un liquide de refroidissement ou un réfrigérant, utilisé comme interface entre la batterie et le fluide, est généralement composé de pièces en aluminium formant des conduits pour la circulation du fluide, telles que des tubes ou plaques, qui sont brasées entre elles.
Ces systèmes présentent plusieurs inconvénients. Ils nécessitent un certain temps pour atteindre les températures de fonctionnement en raison de l’inertie de la boucle de climatisation. De plus, les performances peuvent être affectées par les conditions ambiantes, notamment lorsque la température ambiante est élevée. Aucun de ces systèmes, ne permet en plus du refroidissement de la batterie, un chauffage de la batterie, ce qui peut être un inconvénient majeur pour les batteries. Enfin, les systèmes connus sont souvent surdimensionnés.
Afin de pallier ces inconvénients, il a été proposé un module de transfert thermique innovant comprenant une membrane à matériau électrocalorique apte à présenter une variation de température lorsqu’elle est alimentée électriquement et apte à venir alternativement en contact thermique avec une source thermique et un dissipateur thermique agencé en contact avec un composant du véhicule automobile à réguler thermiquement.
La fréquence de battement de la membrane peut impacter la résistance mécanique de la membrane à long terme, ce qui peut limiter la performance de la membrane. Dans les solutions connues, la fréquence de battement est très faible, notamment inférieure à 1Hz, de façon à garantir un temps de contact suffisant de la membrane contre la source thermique ou le dissipateur thermique.
Cependant, les solutions connues ne donnent pas entière satisfaction. La Déposante a constaté notamment une faible densité surfacique de puissance, aussi désignée par puissance surfacique, c'est-à-dire la puissance thermique par unité de surface qui est transférée ou échangée lors du contact thermique.
L’invention a pour objectif de pallier au moins partiellement ces problèmes de l’art antérieur en proposant un module de transfert thermique dont les performances thermiques sont optimisées.
À cet effet, l’invention a pour objet un module de transfert thermique pour véhicule automobile, configuré pour être agencé en contact thermique avec une surface à réguler thermiquement, le module de transfert thermique comportant un dissipateur thermique, une source thermique, et une membrane agencée entre le dissipateur thermique et la source thermique. La membrane comprend au moins une couche de matériau électrocalorique comprenant du polymère. La membrane peut être configurée pour être connectée à une source d’alimentation électrique, de sorte que le matériau électrocalorique présente une variation de température lors d’une application d’une tension d’alimentation électrique.
Selon l’invention, le module de transfert thermique comporte un dispositif d’entraînement configuré pour entraîner la membrane alternativement en contact thermique avec le dissipateur thermique et la source thermique, selon une fréquence de commutation comprise entre 1Hz et 5Hz. La fréquence de commutation peut notamment être comprise entre 2Hz et 4Hz.
Cette plage de fréquences de commutation permet d’obtenir une gamme de densité surfacique de puissance (ou puissance surfacique) maximum tout en optimisant le transfert thermique. En effet, la capacité à transférer et stocker de l’énergie dans le polymère électrocalorique influe directement sur la puissance thermique transférable. La Déposante a constaté qu’en dessous de 1HZ ou 2Hz, la baisse du nombre de battements de la membrane pénalise la densité surfacique de puissance. Au contraire, avec des fréquences trop élevées, au-delà de 4Hz à 5Hz, le temps de contact de la membrane avec le dissipateur thermique ou la source thermique, ne permet pas un échange thermique suffisant, c'est-à-dire pour que la membrane puisse céder ou absorber de la chaleur.
Le module de transfert thermique peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes décrites ci-après, prises séparément ou en combinaison.
La fréquence de commutation peut être définie en fonction d’une épaisseur de la membrane.
L’épaisseur de la membrane est par exemple comprise entre 10µm et 500µm, notamment entre 20µm et 100µm.
La fréquence de commutation peut être définie en fonction d’une conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane.
La conductivité thermique est par exemple comprise entre
  • 0,1W.m-1K-1et
  • 30W.m-1K-1.
De préférence, la conductivité thermique est comprise entre :
  • 0,2W.m-1K-1et
  • 2W.m-1K-1.
Selon un aspect de l’invention, la fréquence de commutation est définie selon la relation suivante :
  • avec :
    • a correspondant à un premier coefficient,
    • b correspondant à un deuxième coefficient,
    • K correspondant à la conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane,
    • c correspondant à un troisième coefficient,
    • d correspondant à un quatrième coefficient, et
    • e correspondant à l’épaisseur de la membrane.
En particulier, la fréquence de commutation est définie selon la relation suivante :
  • avec :
    • K correspondant à la conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane, et
    • e correspondant à l’épaisseur de la membrane.
Selon un autre aspect, la membrane est configurée pour présenter une variation de température, lors de l’application du champ électrique, de l’ordre de 1°C à 10°C, notamment entre 2°C et 7°C.
Selon encore un autre aspect, la densité surfacique de puissance moyenne du module de transfert thermique en fonctionnement est comprise entre 1mW.cm-2et 100mW.cm-2.
Selon un exemple de réalisation, la membrane comporte au moins une électrode négative et une électrode positive de part et d’autre de la couche de polymère électrocalorique, configurées pour être connectées à la source d’alimentation électrique.
La membrane peut comporter au moins deux couches de polymère électrocalorique, tel que du polyfluorure de vinylidène, et comporter une électrode positive commune entre les deux couches et deux électrodes négatives de part et d’autre de l’empilement des deux couches et de l’électrode positive.
La tension appliquée pour alimenter la membrane peut être comprise entre 50MV/m et 100MV/m, de préférence entre 70MV/m et 90MV/m.
Selon un autre aspect, la membrane est configurée pour être entraînée en mouvement entre la source thermique et le dissipateur thermique au moins en partie sous l’effet d’un champ électrostatique.
Selon un mode de réalisation, le module de transfert thermique comporte une première face comprenant le dissipateur thermique, et une deuxième face comprenant la source thermique. Lesdites faces peuvent être configurées pour être connectées à une autre source d’alimentation électrique.
Par exemple, la première face et la deuxième face du module de transfert thermique peuvent comporter respectivement au moins deux électrodes configurées pour être connectées à l’autre source d’alimentation électrique de façon à générer un champ électrostatique, de sorte que la membrane est entraînée en mouvement entre la source thermique et le dissipateur thermique au moins en partie sous l’effet du champ électrostatique généré.
Les électrodes associées au niveau de la première face et de la deuxième face du module de transfert thermique et destinées à être alimentées par l’autre source d’alimentation électrique, forment un exemple de dispositif d’entraînement.
Selon un mode de réalisation particulier, une des électrodes de la première face est commune avec la membrane, et une des électrodes de la deuxième face est commune avec la membrane.
La tension appliquée pour générer le champ électrostatique peut être comprise entre 30MV/m et 70MV/m, de préférence entre 40MV/m et 60MV/m.
De façon alternative, le module de transfert thermique peut comporter au moins un élément électro-actif agencé au moins en partie en contact mécanique avec la membrane, ledit au moins un élément électro-actif étant configuré pour être connecté à une source de tension, et pour changer de position lorsqu’il est soumis une tension électrique, de façon à entraîner en mouvement la membrane selon la fréquence de commutation. Ledit au moins un élément électro-actif forme un autre exemple de dispositif d’entraînement de la membrane.
L’invention concerne également un ensemble de régulation thermique, comportant au moins un composant du véhicule automobile à réguler thermiquement. L’ensemble de régulation thermique comporte un module de transfert thermique tel que défini précédemment, le module de transfert thermique comprenant au moins un matériau électrocalorique, agencé en contact thermique avec une surface dudit au moins un composant.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
montre une configuration d’un ensemble de régulation thermique pour véhicule automobile comprenant un module de transfert thermique utilisant l’effet électrocalorique.
est un exemple de réalisation d’un empilement formant le module de transfert thermique de l’ensemble de régulation thermique de la , comprenant une membrane dans une première position active.
montre une variante de l’empilement formant le module de transfert thermique avec la membrane dans une deuxième position active.
est un graphique représentant de façon schématique un exemple d’évolution temporelle du déplacement de la membrane sur une période entre deux faces du module de transfert thermique.
montre l’évolution de la densité surfacique de puissance moyenne en fonction la fréquence de commutation de la membrane pour différentes épaisseurs de membrane.
montre l’évolution de la densité surfacique de puissance moyenne en fonction la fréquence de commutation de la membrane pour deux épaisseurs de membrane et de conductivités thermiques différente.
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
Dans la description, on peut indexer certains éléments, par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.
L’invention concerne la régulation thermique dans un véhicule automobile en utilisant notamment un effet électrocalorique. En particulier, l’invention permet des échanges thermiques locaux dans les applications automobiles, pour le refroidissement et/ou le chauffage notamment d’une surface par contact.
La montre un ensemble de régulation thermique 1 pour un véhicule automobile permettant la régulation thermique d’au moins un composant 3 du véhicule automobile. La régulation thermique concerne aussi bien le réchauffement ou le refroidissement du composant 3. L’ensemble de régulation thermique 1 peut comporter un tel composant 3.
L’ensemble de régulation thermique 1 comporte un module de transfert thermique 5 comprenant au moins un matériau électrocalorique. L’invention concerne plus particulièrement un tel module de transfert thermique 5.
Le module de transfert thermique 5 est destiné à être agencé en contact thermique avec une surface du composant 3, lorsque l’ensemble de régulation thermique 1 est monté dans le véhicule automobile. Le module de transfert thermique 5 peut être agencé en contact direct avec le composant 3. La représentation de la montrant le module de transfert thermique 5 en-dessous du composant 3 n’est pas restrictive. Le module de transfert thermique 5 peut par exemple être disposé au-dessus du composant 3, voire sur un côté de celui-ci.
En alternative, le module de transfert thermique 5 peut être agencé indirectement en contact thermique avec le composant 3.
De façon non exhaustive, le composant 3 à réguler thermiquement peut être une batterie d’un véhicule électrique ou hybride, un équipement dans l’habitacle tel qu’un siège, le volant, un porte-gobelet, une garniture, la calandre, un panneau de porte, un accoudoir, etc.
Le composant 3 peut encore être une conduite pour la circulation d’un flux d’air dans une installation de chauffage et/ou ventilation et/ou climatisation d’un flux d’air dans le véhicule automobile. Le composant 3 à réguler thermiquement peut également être un dispositif d’une boucle de gestion thermique, dans lequel circule un fluide caloporteur, tel qu’un réfrigérant, ou un flux d’air, pour assurer une fonction de refroidissement ou de chauffage d’un flux d’air à destination de l’habitacle ou d’une surface dans l’habitacle. Selon une configuration, l’ensemble de régulation thermique 1 peut être intégré dans un système de gestion thermique configuré pour délivrer un flux d’air conditionné thermiquement en direction d’un espace à conditionner du véhicule automobile.
Le module de transfert thermique 5 peut avantageusement être utilisé dans des applications de gestion thermique automobile à la place d’éléments Peltier traditionnellement utilisés.
L’ensemble de régulation thermique 1 peut éventuellement comporter un dispositif d’échange thermique (non représenté) configuré pour échanger des calories et/ou des frigories avec le composant 3. Le dispositif d’échange thermique (non représenté) peut comporter un ou plusieurs échangeurs thermiques. Le module de transfert thermique 5 est dans ce cas agencé en contact thermique avec une surface du dispositif d’échange thermique (non représenté). Il peut être interposé entre le composant 3 et le dispositif d’échange thermique (non représenté). En alternative, c’est le dispositif d’échange thermique (non représenté) qui peut être interposé entre le composant 3 et le module de transfert thermique 5.
Le module de transfert thermique 5 et éventuellement le dispositif d’échange thermique lorsqu’il est prévu, peuvent être agencés de façon à réguler thermiquement une conduite (formant le composant 3) pour la circulation d’un flux d’air, par exemple en communication aéraulique avec un aérateur débouchant dans l’habitacle du véhicule automobile.
Selon un autre exemple, le module de transfert thermique 5 et éventuellement le dispositif d’échange thermique (non représenté) lorsqu’il est prévu, peuvent être agencés de façon à réguler thermiquement, aussi bien en refroidissement qu’en réchauffement, au moins une surface d’un équipement dans l’habitacle du véhicule automobile, tel qu’un siège, le volant, un accoudoir, ou encore le tableau de bord, voire un porte-gobelet ou porte-assiette.
À l’état monté dans le véhicule automobile, les deux faces du module de transfert thermique 5 peuvent être agencées en contact avec une surface. En alternative, l’une des faces du module de transfert thermique 5 peut être agencée en contact avec un flux d’air ambiant.
L’ensemble de régulation thermique 1 peut comprendre autant de modules de transfert thermique 5 que nécessaire. Les modules de transfert thermique 5 peuvent être situés différemment par rapport au composant 3 à réguler et éventuellement au dispositif d’échange thermique (non représenté) lorsqu’il est prévu.
Le module de transfert thermique 5 comporte un empilement de matériaux conducteurs thermiques, et alternativement conducteur thermique ou résistif.
En particulier, le module de transfert thermique 5 comporte une membrane 9 décrite plus en détail par la suite. Le module de transfert thermique 5 comporte également une première face 11, supérieure, selon l’orientation des figures 1 à 3, et une deuxième face 13, inférieure, selon l’orientation des figures 1 à 3, entre lesquelles la membrane 9 est disposée. La disposition des faces 11 et 13, telle que représentée, est simplement à titre illustratif et pourrait être inversée.
La première face 11 du module de transfert thermique 5 comporte au moins une première couche thermiquement conductrice. Cette première couche thermiquement conductrice forme par exemple un dissipateur thermique 15. Le dissipateur thermique 15 de la première face 11 peut être destiné à être agencé en contact thermique directement avec le composant 3 à réguler thermiquement ou en alternative avec le dispositif d’échange thermique (non représenté) lorsque ce dernier est prévu et intégré entre le composant 3 et le module de transfert thermique 5.
La deuxième face 13 du module de transfert thermique 5 comporte au moins une deuxième couche thermiquement conductrice. Cette deuxième couche thermiquement conductrice forme par exemple une source thermique 17. La source thermique 17 de la deuxième face 13 peut être destinée à être agencée en contact thermique par exemple avec le dispositif d’échange thermique (non représenté) lorsque le module de transfert thermique 5 est intégré entre le composant 3 et le dispositif d’échange thermique (non représenté), ou directement dans un flux d’air ambiant.
Chaque face 11, 13 du module de transfert thermique 5 peut comporter en outre au moins une couche adhésive 19 (représentée dans l’exemple de la ). Le module de transfert thermique 5 peut comporter en outre au moins deux entretoises 21 entre les deux faces 11, 13.
Le module de transfert thermique 5 est configuré pour être connecté à au moins une source d’alimentation électrique V1. Plus précisément, la membrane 9 peut être connectée à la source d’alimentation électrique V1.
L’ensemble de régulation thermique 1 peut comprendre une telle source d’alimentation électrique V1. Préférentiellement, il comprend encore des moyens de contrôle de la tension électrique appliquée à la membrane 9. De tels moyens de contrôle sont, par exemple, intégrés à la source d’alimentation électrique V1. Ils peuvent en alternative être distants.
La membrane 9 comprend au moins une couche 91 de matériau électrocalorique. Le matériau électrocalorique permet un transfert thermique en absorbant ou en cédant de l’énergie thermique. Le module de transfert thermique 5 est destiné à utiliser l’effet électrocalorique pour réchauffer ou refroidir le composant 3 par transfert thermique avec la membrane 9 comprenant le matériau électrocalorique.
Le matériau électrocalorique peut comprendre du polymère. Il s’agit en particulier de polyfluorure de vinylidène connu sous le sigle PVDF, voire du terpolymère de fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène-chlorofluoroéthylène P(VDF-TrFE-CFE ), ou du copolymère poly(VDF-TrFE-CFE). Le choix d’utilisation de polymère électrocalorique dans le module de transfert thermique 5, permet de faciliter l’intégration ce module 5 dans une application automobile en termes d’encombrement, de légèreté tout en assurant un transfert thermique efficace.
La membrane 9 peut être formée par un empilement d’au moins deux couches 91 de matériau électrocalorique. L’empilement est destiné à améliorer la résistance mécanique de la membrane 9.
Dans les exemples illustrés sur les figures 2 et 3, la membrane 9 comporte deux couches 91 de matériau électrocalorique. Bien entendu, une seule couche 91 peut être prévue ou plus de deux couches 91.
La membrane 9 peut comprendre au moins deux électrodes 93, 95, de part et d’autre d’une couche 91 de matériau électrocalorique. Les électrodes 93, 95 peuvent comprendre du cuivre, du carbone, du graphène, du graphite ou tout polymère conducteur.
Dans l’exemple de la membrane 9 avec deux couches 91 de matériau électrocalorique, la membrane 9 comporte une électrode interne 93 entre les deux couches 91 de matériau électrocalorique. L’électrode interne 93 est donc encapsulée dans la membrane 9. La membrane 9 comporte en outre deux électrodes externes 95 de part et d’autre de l’empilement des deux couches 91 et de l’électrode 93 interne.
Les électrodes 93, 95 sont configurées pour être connectées à la source d’alimentation électrique V1. Selon l’exemple ci-dessus, l’électrode interne 93 est reliée à une borne positive de la source d’alimentation V1. Les deux électrodes externes 95 sont reliées à une borne négative de la source d’alimentation V1.
Ceci permet d’appliquer ou non un champ électrique pour alimenter la membrane 9. La tension appliquée pour alimenter la membrane 9 est par exemple comprise entre 40MV/m et 100MV/m, notamment entre 50MV/m et 100MV/m, de préférence entre 70MV/m et 90MV/m.
Le matériau électrocalorique de la membrane 9 présente une variation de température lorsqu’il est soumis à un champ électrique. Selon le mode de réalisation décrit, la membrane est configurée pour présenter une variation de température, lors de l’application du champ électrique, de l’ordre de 1°C à 10°C, notamment entre 2°C et 7°C.
Le champ électrique est généré lors d’une application ou d’une suppression d’une tension d’alimentation électrique au niveau des électrodes 93, 95 entourant la couche 91 de matériau électrocalorique.
L’alimentation électrique pour générer un champ électrique peut être activée seulement lorsque nécessaire, et aux conditions minimales requises suffisantes. La tension d’alimentation électrique peut être avec des valeurs différentes, ce qui permet d’obtenir différentes zones de températures de fonctionnement.
Par application et suppression d’un champ électrique, une polarisation et une dépolarisation modifient le niveau de température du matériau électrocalorique de la membrane 9.
En effet, la tension électrique appliquée a un effet sur l’orientation des dipôles dans le matériau électrocalorique. Lorsqu’un champ électrique est appliqué, une polarisation des dipôles se produit. Une fois polarisés, les dipôles passent d’un arrangement désorganisé à un arrangement organisé. L’entropie augmente avec la désorganisation, et la polarisation diminue l’entropie. Le niveau d’énergie interne reste constant, sans transfert d’énergie avec l’environnement extérieur, de sorte que la température du matériau électrocalorique augmente. Lorsque l’alimentation électrique de la membrane 9 est maintenue, cela permet d’atteindre une température d’équilibre ou stabilisée. Après dépolarisation, l’entropie augmente et la température diminue.
De plus, la membrane 9 est disposée entre le dissipateur thermique 15 et la source thermique 17. De façon avantageuse, la membrane 9 est configurée pour être entraînée en mouvement entre le dissipateur thermique 15 et la source thermique 17.
La membrane 9 est agencée de façon à être mobile entre une position neutre représentée de façon schématique sur la , une première position active représentée de façon schématique sur la et une deuxième position active représentée de façon schématique sur la .
La position neutre représentée est aléatoire, toute autre position neutre peut être envisagée. De façon générale, dans la position neutre, la membrane 9 ne présente que peu de contact avec les deux faces 11, 13 du module de transfert thermique 5, notamment uniquement localement au niveau de ces extrémités entre les deux entretoises 21 et les deux faces 11, 13.
Dans la première position active, la membrane 9 est agencée de façon à assurer un premier contact thermique avec le dissipateur thermique 15. La membrane 9 vient se plaquer majoritairement contre la première face 11 comprenant le dissipateur thermique.
Dans la deuxième position active, la membrane 9 est agencée de façon à assurer un deuxième contact thermique avec la source thermique 17. La membrane 9 vient se plaquer majoritairement contre la deuxième face 13 comprenant la source thermique 17.
Le polymère du matériau électrocalorique confère une élasticité à la membrane 9 lui permettant d’atteindre la première face 11 ou la deuxième face 13.
La membrane 9 peut être alternativement amenée dans la première position active et la deuxième position active. Lorsque la membrane 9 est en contact thermique alternativement avec le dissipateur thermique 15 et la source thermique 17, en fonction de sa température, la membrane 9 cède ou absorbe de la chaleur.
Le module de transfert thermique 5 peut comporter tout ou partie d’un dispositif d’entraînement de la membrane 9, configuré pour générer le mouvement de la membrane 9.
Selon une option, le mouvement de la membrane 9 peut être généré au moins en partie sous l’effet d’un champ électrostatique. Pour ce faire, le dispositif d’entraînement de la membrane 9 comporte un ou plusieurs moyens pour générer un champ électrostatique entre les deux faces 11 et 13 du module de transfert thermique 5.
À cet effet, les faces 11 et 13 comprenant le dissipateur thermique 15 et la source thermique 17, peuvent être configurées pour être connectées à une autre source d’alimentation électrique V2. Dans ce cas, la source d’alimentation électrique V1 précédemment décrite permettant d’alimenter la membrane 9 est aussi nommée première source d’alimentation électrique V1. La source d’alimentation électrique V2 permettant de générer le champ électrostatique pour mettre en mouvement au moins en partie la membrane 9 est aussi nommée deuxième source d’alimentation électrique V2.
Selon ce mode de réalisation, les faces 11 et 13 du module de transfert thermique 5 comportent des électrodes 23, 25 permettant la connexion avec la deuxième source d’alimentation électrique V2. La première 11 et/ou la deuxième 13 face peut comprendre encore un film isolant électrique 27.
L’une des électrodes 23 est au niveau de la première face 11. Elle est par exemple interposée entre le dissipateur thermique 15 et la membrane 9. L’autre électrode 25 est au niveau de la deuxième face 13. Elle est interposée entre la source thermique 17 et la membrane 9. Les électrodes 23, 25 peuvent comprendre du cuivre, de l’argent, du carbone, du graphène, du graphite ou tout polymère conducteur, par exemple un polymère tel que du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) aussi désigné PEDOT ou PEDT. Les électrodes 23, 25 peuvent être respectivement disposées sur une couche de la première face 11, respectivement de la deuxième face 13, telle que le film isolant électrique 27, d’un côté opposé à la membrane 9.
L’une des électrodes 95 de la membrane 9, par exemple l’électrode 95 supérieure selon l’orientation des figures 2 et 3, peut être une électrode commune à la membrane 9 et la première face 11.
L’autre électrode 95 de la membrane 9, par exemple l’électrode 95 inférieure, peut être une électrode commune à la membrane 9 et la deuxième face 13.
L’électrode 23 peut être configurée pour être reliée à la borne positive de deuxième source d’alimentation électrique V2. L’électrode 25 peut être configurée pour être reliée à la borne positive de deuxième source d’alimentation électrique V2. Les électrodes 95 peuvent être configurées pour être reliées à la borne négative de la deuxième source d’alimentation électrique V2.
La tension appliquée pour générer le champ électrostatique peut être comprise entre 20MV/m et 130MV/m, notamment entre 30MV/m et 70MV/m, de préférence entre 40MV/m et 60MV/m.
Les électrodes 23, 25, 95 destinées à être connectées à la deuxième source d’alimentation électrique V2 forment un premier exemple de dispositif d’entraînement de la membrane 9. Le module de transfert thermique 5, ou plus généralement l’ensemble de régulation thermique 1, peut comporter la deuxième source d’alimentation électrique V2.
Selon une autre possibilité, le dispositif d’entraînement de la membrane 9 peut comporter un ou plusieurs éléments électro-actifs (non représentés) configurés pour se déformer et/ou changer de position sous l’effet d’une tension électrique, de façon à entrainer en mouvement au moins en partie la membrane 9. Un tel élément électro-actif peut être distinct de la membrane 9 et être destiné à être agencé en contact mécanique au moins en partie avec la membrane 9, ou être intégré à la membrane 9. Il peut par exemple être noyé dans l’empilement formant la membrane 9. L’élément électro-actif forment un deuxième exemple de dispositif d’entraînement de la membrane 9.
De façon alternative ou en complément, tout autre moyen que le champ électrostatique ou l’élément électro-actif pourrait être utilisé pour entraîner en mouvement la membrane 9, ou initier ou finaliser ce mouvement.
Le module de transfert thermique 5, plus généralement l’ensemble de régulation thermique 1, peut être mis en œuvre selon différents modes opératoires. Par exemple, le module de transfert thermique 5 peut être activé pour assurer une fonction de chauffage ou de refroidissement actif en utilisant l’effet électrocalorique et l’oscillation de la membrane 9. Pour ce faire, le module de transfert thermique 5 peut être mis en œuvre selon un mode dit actif dans lequel la membrane 9 est alimentée électriquement pour générer l’effet électrocalorique, et la membrane 9 est entraînée en mouvement de façon à osciller entre les deux faces 11, 13, du module de transfert thermique 5. L’oscillation de la membrane 9 peut être obtenue sous l’effet de champs électrostatiques ou en alternative par entraînement par un élément électro-actif, ou encore tout autre dispositif d’entraînement approprié.
L’ensemble de régulation thermique 5 peut aussi être activé comme une fonction de pré-conditionnement passif, c'est-à-dire de chauffage ou de refroidissement passif en utilisant l’oscillation de la membrane 9, sans générer l’effet électrocalorique. Pour ce faire, le module de transfert thermique 5 est mis en œuvre selon un mode dit passif dans lequel la membrane 9 n’est pas alimentée électriquement, et la membrane 9 est entraînée en mouvement de façon à osciller entre les deux faces 11, 13, du module de transfert thermique 5.
Le module de transfert thermique 5 peut encore être activé sans utiliser l’oscillation de la membrane 9 ni l’effet électrocalorique. Pour ce faire, l’ensemble de régulation thermique 5 est mis en œuvre selon un mode dit de diode thermique sans entraîner en mouvement la membrane 9 et sans l’alimenter électriquement.
Notamment dans le mode actif ou passif, la membrane 9 est configurée pour être alternativement entrainée vers le dissipateur thermique 15 et la source thermique 17 sur une période prédéfinie T, en se référant également à la . En particulier, la membrane 9 peut être déplacée de façon à venir se plaquer alternativement contre la première face 11 du module de transfert thermique 5 (position X11) correspondant à la représentation sur la , et contre la deuxième face 13 du module de transfert thermique 5 (position X13) correspondant à la représentation sur la .
La membrane 9 est par exemple entraînée en mouvement selon des séquences A, B, successives. Lors d’une séquence A, la membrane 9 est plaquée contre une face 11 ou 13 donnée du module de transfert thermique 5 pendant un temps de contact t1 prédéfini. Lors d’une séquence B, la membrane 9 se déplace depuis une face vers l’autre face pendant un temps de traversée t2 prédéfini. Le temps de traversée t2 est par exemple de l’ordre de 30ms à 0,1s. Sur une période T, la membrane 9 est plaquée contre chaque face 11, 13, du module de transfert thermique 5 durant deux séquences A, et la membrane 9 se déplace d’une face vers l’autre durant deux séquences B. Une séquence A et une séquence B se succèdent sur une demi-période ½T.
En particulier, la membrane 9 peut être entrainée alternativement vers la source thermique 17 et le dissipateur thermique 15 à une fréquence f prédéfinie de commutation ou fréquence de battement, en se référant également à la . La période T est définie en fonction de cette fréquence f de commutation.
La fréquence f de commutation est un paramètre primordial à adapter pour améliorer la performance du module de transfert thermique 5 en fonctionnement.
La fréquence f de commutation est choisie selon un compromis entre la valorisation du temps de contact et le transfert thermique. À faible fréquence f, la période T est très longue ce qui permet de bien transférer la chaleur lorsque la membrane 9 est plaquée contre une face 11 ou 13, mais une fois l’équilibre thermique atteint, il s’en suit toute une durée où rien ne se passe. Au contraire, si la fréquence f est trop élevée, le transfert thermique est faible. Plus on augmente la fréquence f, plus on réduit la performance.
La fréquence f de commutation est choisie entre 1Hz et 5Hz, notamment entre 2Hz et 4Hz.
Cette fréquence f de commutation est avantageusement définie pour une configuration donnée du module de transfert thermique 5.
La fréquence f de commutation peut notamment être définie en fonction d’une épaisseur e de la membrane 9. Cette épaisseur e est choisie selon un compromis entre densité surfacique de puissance (ou puissance surfacique) P c'est-à-dire la puissance thermique par unité de surface qui peut être transférée, et performance. Avec une épaisseur e réduite, il est plus facile d’entraîner en mouvement la membrane 9, cependant la densité surfacique de puissance P est réduite. Plus on augmente l’épaisseur e, plus on réduit le coefficient de performance et arrivé à saturation la densité surfacique de puissance P n’augmente plus.
Selon le mode de réalisation décrit, la densité surfacique de puissance P moyenne est notamment comprise entre 1mW/cm2et 100 mW/cm2.
Selon un exemple de réalisation, la membrane 9 présente une épaisseur e comprise entre 10µm et 500µm, notamment entre 20µm et 100µm.
La illustre la variation de la fréquence f de commutation pour différentes épaisseurs e de la membrane 9 et pour un effet électrocalorique donné. Pour les épaisseurs importantes, la fréquence f de commutation sature vers 2Hz alors que pour les faibles épaisseurs, la fréquence f de commutation sature vers 4Hz. La saturation est observée pour une densité surfacique de puissance P maximum, correspondant aux points par lesquels passe la courbe C et au sommet de la forme en cloche de chaque courbe.
En variante ou en complément, la fréquence f de commutation peut être définie en fonction d’une conductivité thermique K du matériau électrocalorique de la membrane 9.
La conductivité moyenne d’un polymère est 0,1W.m-1K-1et la conductivité moyenne d’un polymère dopé est 30W.m-1K-1. La conductivité thermique K du matériau électrocalorique de la membrane peut donc être comprise entre 0,1W.m-1K-1et 30W.m-1K-1, de préférence entre 0,2W.m-1K-1et 2W.m-1K-1. A titre d’exemples particuliers non limitatifs, le matériau électrocalorique de la membrane 9 peut présenter une conductivité thermique K de 0,2W.m-1K-1ou 0,6W.m-1K-1.
La illustre la variation de la fréquence f de commutation pour deux épaisseurs e de la membrane 9 et pour deux matériaux de conductivité K1, K2 différentes. La conductivité K2 du deuxième matériau est plus importante, par exemple trois fois plus importante que la conductivité K1 du premier matériau. Pour une épaisseur de matériau donnée, l’augmentation de la conductivité thermique permet d’augmenter la densité surfacique de puissance P et donc d’améliorer les performances.
La Déposante a constaté que pour chaque couple de matériaux de même épaisseur e et de conductivités thermiques K1, K2 différentes, la densité surfacique de puissance P maximum est atteinte pour la même fréquence f de commutation ou un même ordre de fréquence f de commutation.
De façon avantageuse, la fréquence f de commutation est définie à la fois en fonction de l’épaisseur e de la membrane 9 et de la conductivité thermique K du matériau électrocalorique.
Afin d’être optimisée, la fréquence f de commutation est définie selon la relation (A) suivante :
  • (A) : .
Selon la relation (A), a correspond à un premier coefficient, b correspond à un deuxième coefficient, K correspond à la conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane 9, c correspond à un troisième coefficient, d correspond à un quatrième coefficient, et e correspond à l’épaisseur de la membrane 9. Cette relation (A) lie donc la fréquence f de commutation à la configuration de la membrane 9.
Selon une configuration particulière, la fréquence f de commutation est définie selon la relation (B) suivante :
  • (B) : .
Cette deuxième relation (B) correspond à la première relation (A) avec le premier coefficient a égal à 6,1145, le deuxième coefficient b égal à 1,319, le troisième coefficient c égal à 0,7205, le quatrième coefficient d égal à 0,0125.
Le module de transfert thermique 5 tel que décrit précédemment, permet des échanges thermiques locaux dans les applications automobiles, pour le refroidissement et/ou le chauffage de surfaces dans l’habitacle par contact ou de composant tel qu’une batterie de véhicule électrique ou hybride, ou encore permet de booster un (pré)conditionnement d’un composant 3 tel que la batterie.
Un tel module de transfert thermique 5 permet de concevoir un ensemble de régulation thermique 1 qui peut par exemple être intégré dans une boucle de gestion thermique pour améliorer le transfert thermique dans des conditions de fonctionnement minimales requises de cette boucle sans nécessiter de la sur-dimensionner.
Le mouvement alterné de la membrane 9 entre la source thermique 17 et le dissipateur thermique 15, peut être activé uniquement si nécessaire. Lorsque la membrane 9 est entraînée selon une fréquence f de commutation entre 1Hz et 5Hz, notamment selon la relation (A) ou (B) précédemment décrite, la densité surfacique de puissance P est maximum et les performances thermiques du module de transfert thermique 5 sont optimisées.

Claims (9)

  1. Module de transfert thermique (5) pour véhicule automobile, configuré pour être agencé en contact thermique avec une surface (3) à réguler thermiquement, le module de transfert thermique (5) comportant un dissipateur thermique (15), une source thermique (17), et une membrane (9) agencée entre le dissipateur thermique (15) et la source thermique (17), la membrane (9) comprenant au moins une couche (91) de matériau électrocalorique comprenant du polymère, configurée pour être connectée à une source d’alimentation électrique (V1), de sorte que le matériau électrocalorique présente une variation de température lors d’une application d’une tension d’alimentation électrique,caractérisé en ce quele module de transfert thermique (5) comporte un dispositif d’entraînement configuré pour entraîner la membrane (9) alternativement en contact thermique avec le dissipateur thermique (15) et la source thermique (17), selon une fréquence (f) de commutation comprise entre 1Hz et 5Hz, notamment entre 2Hz et 4Hz.
  2. Module de transfert thermique (5) selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence (f) de commutation est définie en fonction d’une épaisseur (e) de la membrane (9), et dans lequel l’épaisseur de la membrane (9) est comprise entre 10µm et 500µm, notamment entre 20µm et 100µm.
  3. Module de transfert thermique (5) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence (f) de commutation définie en fonction d’une conductivité thermique (K) du matériau électrocalorique de la membrane (9), et dans lequel la conductivité thermique (K) est comprise entre 0,1W.m-1K-1et 30W.m-1K-1, de préférence entre 0,2W.m-1K-1et 2W.m-1K-1.
  4. Module de transfert thermique (5) selon les revendications 2 et 3, dans lequel la fréquence (f) de commutation est définie selon la relation suivante :
    • avec :
      • a correspondant à un premier coefficient,
      • b correspondant à un deuxième coefficient,
      • K correspondant à la conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane (9),
      • c correspondant à un troisième coefficient,
      • d correspondant à un quatrième coefficient, et
      • e correspondant à l’épaisseur de la membrane (9).
  5. Module de transfert thermique (5) selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence (f) de commutation est définie selon la relation suivante :
    • avec :
      • K correspondant à la conductivité thermique du matériau électrocalorique de la membrane (9), et
      • e correspondant à l’épaisseur de la membrane (9).
  6. Module de transfert thermique (5) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la membrane est configurée pour présenter une variation de température, lors de l’application du champ électrique, de l’ordre de 1°C à 10°C, notamment entre 2°C et 7°C.
  7. Module de transfert thermique (5) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la densité surfacique de puissance (P) moyenne est comprise entre 1mW.cm-2et 100 mW.cm-2.
  8. Module de transfert thermique (5) selon l’une des revendications précédentes, comportant une première face (11) comprenant le dissipateur thermique (15) et une deuxième face (13) comprenant la source thermique (17), la première face (11) et la deuxième face (13) comportant respectivement au moins deux électrodes (23, 25, 95) configurées pour être connectées à une autre source d’alimentation électrique (V2) de façon à générer un champ électrostatique, de sorte que la membrane (9) est entraînée en mouvement entre la source thermique (17) et le dissipateur thermique (15) au moins en partie sous l’effet du champ électrostatique généré.
  9. Ensemble de régulation thermique (1), comportant au moins un composant (3) du véhicule automobile à réguler thermiquement, caractérisé en ce que l’ensemble de régulation thermique (1) comporte un module de transfert thermique (5) selon l’une des revendications précédentes, le module de transfert thermique (5) comprenant au moins un matériau électrocalorique, agencé en contact thermique avec une surface dudit au moins un composant (3).
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