WO2011134997A1 - Dispositif formant manometre destine a la mesure de pression de fluide diphasique, procede de realisation et reseau fluidique associes - Google Patents

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fluid
pressure
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Hai Trieu Phan
Philippe Coronel
Pascal Fugier
Jérôme GAVILLET
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • G01L7/18—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements using liquid as the pressure-sensitive medium, e.g. liquid-column gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/0091—Transmitting or indicating the displacement of liquid mediums by electrical, electromechanical, magnetic or electromagnetic means
    • G01L9/0095—Transmitting or indicating the displacement of liquid mediums by electrical, electromechanical, magnetic or electromagnetic means using variations in capacitance
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Definitions

  • the invention relates to a manometer device for measuring the pressure of a two - phase fluid in a fluidic network.
  • It relates to an improvement of the sensitivity of a pressure gauge by allowing a noticeable decrease in dimensions and its integration in a fluidic network.
  • Applications particularly targeted by the invention are two-phase fluid heat exchangers, the fuel cell or other system involving the use of a two-phase mixture operating around the atmospheric pressure.
  • liquid and vapor phases of the same fluid are simultaneously present in the fluidic network supporting the heat and mass exchanges.
  • the fluid pressure, the mass flow ratio between the vapor and liquid phases (titre) of the two-phase fluid and their respective distribution in the fluidic network are parameters revealing, at every moment, the efficiency of the system.
  • US Pat. No. 4,404,855 proposes the measurement of a pressure differential by measuring the displacement of a meniscus of liquid at the interface with an air bubble injected by a syringe so as to increase by a factor of 10 4 the measurement sensitivity.
  • the dimensions of the measurement device thus proposed are macroscopic and do not allow its integration into a fluidic network of a compact system.
  • the minimum meniscus displacement that can be observed is of the order of 0.1 mm and requires the use of optical means external to the sensitive element of the pressure gauge itself.
  • the object of the invention is then to propose a solution for integrating a device for accurately measuring the pressure of a two-phase fluid in a fluidic network of a system, such as a heat exchanger or a fuel cell without adversely affect the operation of the latter or its compactness.
  • the subject of the invention is a device forming a pressure gauge, intended for measuring the pressure of a two-phase fluid in a fluidic network, comprising:
  • the second channel being blind, with each of its dimensions being smaller than the capillary length of the liquid phase of the fluid, and with its longitudinal wall having a gradient of decreasing surface energy since its entry in the background, the surface energy gradient makes it possible to increase the wetting angle of the meniscus of the liquid phase of the fluid in the blind channel from its entrance to the bottom.
  • the capillary length is a characteristic dimension of a liquid on which the capillary forces and the gravitational forces are of the same magnitudes.
  • the capillary length and the capillary volume Vc are respectively: ⁇ -g ⁇ 2.7 mm
  • each of the dimensions constituted by the hydraulic diameter and the length of the blind channel is less than the capillary length of the liquid.
  • the production of a blind channel connected directly to a channel (main channel) of a fluidic network and the addition of a surface energy gradient along its longitudinal wall makes it possible to locate precisely a meniscus of liquid at the interface with the vapor phase.
  • the inventors have in fact started from the observation that in a liquid manometer the displacement of the meniscus at the interface with an air bubble under the effect of a pressure was influenced by the wetting of the liquid in contact with the walls of the tube. capillary .
  • Piiqui d e is the pressure of the liquid
  • P gas is the pressure of the gas
  • H is the height of the blind channel
  • o is the surface tension constant of water (-72 mJ / m 2 );
  • 9 e is the wetting angle of the water on the longitudinal wall 11 of the blind channel 1.
  • the pressure of the gas trapped in cavity 10 can be determined by the equation of the perfect: in which Patm is the atmospheric pressure,
  • Figure 2 shows the representative curve of the pressure difference as a function of the hydraulic diameter.
  • the area above this curve is the area of low sensitivity of the wetting, while the area below is of high sensitivity of wetting.
  • the wetting effect is significant if the pressure difference is less than 1.1 bar.
  • the inventors then studied the influence of the contact angle (wetting angle) on the displacement y of the liquid meniscus at the interface with the gas.
  • FIGS. 3A to 3C illustrate three different liquid contact angle configurations of 20 °, 90 ° and 120 ° respectively, and wherein the characteristic dimensions H, L1 and L2 are shown.
  • angle 9 e ranging from 90 ° to 150 ° on the length L1 at the bottom of the blind channel.
  • FIG. 4A shows the representative curve of the cosine of the angle Ge as a function of the position y of the liquid meniscus.
  • FIG. 4B shows the curve representative of the position of the meniscus y as a function of the pressure P.
  • FIG. 4C shows the representative curve of the meniscus displacement sensitivity as a function of the pressure P.
  • the inventors have concluded that the use of a surface energy gradient makes it possible to increase the measurement sensitivity of a pressure gauge with respect to a hydrophobic surface with constant surface energy. In addition, they concluded that this increase in measurement sensitivity is even more important with a cosine gradient corner of 2nd order compared to a linear gradient cosine.
  • a device according to the invention can be, because of its great sensitivity of measurement, microscopic dimensions for variations of relatively low pressure, typically of the order of 1 bar. It can therefore be integrated in a fluidics network without compromising its compactness or its operation.
  • Said structural variation of micro or nanometric nature is a variation of either the shape (depth, width) of the cavities, the density of said cavities or the shape and density of the cavities forming the surface of said walls.
  • the transverse dimensions (or hydraulic diameter) of the blind channel may be between 50 nm and 5 ym, to measure a pressure variation greater than 0.5 bar ( Figure 2).
  • the length of the blind channel can be between 50 nm and 500 ⁇ m.
  • the blind channel may be of substantially rectangular cross section, that is to say a rectangular or similar shape, with / without edge
  • the means for measuring the position of the meniscus of liquid in the blind channel to determine the pressure of the fluid are advantageously integrated in the blind channel.
  • these measuring means comprise two electrodes arranged on two longitudinal wall portions facing each other and extending each of the inlet to the bottom of the blind channel, the electrodes forming with a two-phase fluid present in the blind channel a variable capacitance capacitor.
  • the pressure measurement is determined by the position of the liquid meniscus at equilibrium in the blind channel.
  • the meniscus defines a variable liquid / vapor volume ratio in the channel according to its position. This volume ratio, or its variation, can be appreciated by an electrical measurement of the average capacity of the two-phase fluid in the channel.
  • the use of the two electrodes vis-à-vis allows to measure the capacitance of the fluid.
  • FIG. 5 shows an implantation of two electrodes 20, 21 arranged in parallel to each other at the top and bottom of the blind channel 1.
  • the distance between the two electrodes is close to the depth of the hydraulic diameter of the manometer.
  • Total capacitance is the sum of the capacitance of the vapor phase and the liquid phase of the two-phase fluid
  • FIGS. 12A and 12B The total capacitance, as a function of the ratio between the transverse dimensions (W / H) of the blind channel, is shown in FIGS. 12A and 12B.
  • FIGS. 12C and 12D show that the measurement sensitivity will be all the greater as this ratio is important. In the practical case, this ratio is greater than 1.
  • the invention also relates to a method for producing a pressure gauge device described above, according to which the following steps are carried out:
  • a / producing a first longitudinal portion of a blind channel in a substrate plate comprising a first portion of a main channel within which a two-phase fluid is able to circulate
  • the control of the engraving / ablation design thus makes it possible to produce a chemical surface gradient.
  • the gradient can also be obtained by evaporation of a functionalized molecule.
  • a same surface energy gradient is produced on the second longitudinal portion of the blind channel.
  • each step b / and d / is advantageously carried out a deposit of a thin metal layer constituting an electrode in each longitudinal portion of the blind channel.
  • the electrode may be deposited in a thin layer by a vacuum deposition technique of PVD type of a metal such as Ti, Cu, ....
  • the electrical connection element with the electrodes can be made on the rear face.
  • a contact path can be made at the same time and by the same method as the electrode.
  • it is also possible to provide one or more electronically insulating layers eg SiO 2, TiO 2, etc. In order to electrically isolate the capacitor constituted by the electrodes and the two-phase fluid.
  • the invention also relates to a fluidic network incorporating one or more manometer devices described above.
  • the invention also relates to a fuel cell comprising such a fluidic network, at least one of the manometers being adapted to measure the pressure of the water produced at the cathode or at the anode.
  • the invention finally relates to a two-phase fluid heat exchanger capable of passing from a liquid phase to a vapor phase comprising such a fluidic network, at least one of the manometers being adapted to measure the pressure of the fluid.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a blind channel 1 of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows the representative curve of the evolution of the variations of pressure as a function of the hydraulic diameter of a blind channel of a device according to the invention
  • FIGS. 3A to 3C show, in longitudinal sectional view of a blind channel of a device according to the invention, three different contact angle configurations,
  • FIG. 4A shows the curve representing the cosine of the angle ⁇ e as a function of the position y of the liquid meniscus in the blind channel
  • FIG. 4B shows the curve representative of the position of the meniscus y as a function of the pressure P
  • FIG. 4C shows the representative curve of the meniscus displacement sensitivity as a function of the pressure P
  • FIG. 5 shows the implantation of two electrodes as means for measuring the position of the liquid meniscus in the blind channel of a device according to the invention
  • FIG. 6 is a schematic representation of a device according to the invention.
  • FIGS. 7 to 11B show different steps for producing a blind channel of a device according to the invention
  • FIGS. 12A to 12D show the various curves representative of the evolution of the capacitance of a two-phase fluid as a function of the pressure and the position of the liquid meniscus respectively in a blind channel of the device according to the invention and according to the value the ratio of dimensions of the blind channel.
  • the manometer device according to the invention is intended for measuring the pressure of a two-phase fluid F.
  • blind channel 1 opening on a main channel 3 of a fluidic network, open or closed, through which circulates a two-phase fluid F.
  • This blind channel 1 is thus an integral part of the network.
  • Each of the dimensions (length, depth, width) of the blind channel 1 is smaller than the capillary length of the liquid phase of the fluid.
  • At least one of the longitudinal walls 11 of the blind channel 1 has a gradient of decreasing surface energy from its entrance to the bottom.
  • the surface energy gradient makes it possible to increase the wetting angle of the meniscus of the liquid phase of the fluid in the blind channel 1 from its entrance to the bottom.
  • FIGS. 7 to 11B show different steps for producing a device.
  • a first longitudinal portion 110 of a blind channel is made in a substrate plate 4 comprising a first portion 30 of a main channel inside which a two-phase fluid is able to circulate.
  • a metal layer is deposited to make an electrode 20 with its contact 200 on the first part 110. Then, a surface energy gradient 112 at the surface of the electrode layer 20 (top view of FIG. 7 and sectional views of FIGS. 8A to 11B).
  • a second longitudinal portion 111 of the blind channel is made in another substrate plate 5 comprising a second portion of a main channel inside which a two-phase fluid is able to circulate.
  • a metal layer is likewise deposited to produce an electrode 21 with its contacting, and then an identical surface energy gradient is produced on the second portion 111 of the blind channel 1.
  • the first 111 and second 110 longitudinal portions of the blind channel are of identical length.
  • one of the walls does not have a gradient but is of constant surface energy either hydrophilic or hydrophobic (FIGS. 9A, 9B in which the first Part 110 of the blind channel is devoid of energy gradient and Figures 10A and 10B in which the second portion 111 which is reported is devoid of energy gradient).
  • a longitudinal wall has a given surface energy gradient and the other longitudinal wall opposite has a different surface energy gradient (FIGS. 11A and 11B in which the first portion 110 of the channel has a surface energy gradient 112 while the second portion 111 has a different surface energy gradient 112 ').
  • FIGS. 12A and 12B show the variation of the total capacitance with the pressure and the position of the meniscus of water (liquid phase) at the interface with air and water vapor (gaseous phase) respectively in a blind channel according to the ratio between dimensions between transverse dimensions (W / H).

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Abstract

L' invention concerne un dispositif formant manomètre, destiné à la mesure de la pression d'un fluide diphasique dans un réseau fluidique, comprenant : un premier canal ( 3 ) à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler, un deuxième canal ( 1 ) débouchant sur le premier canal, le deuxième canal étant borgne, avec chacune de ses dimensions inférieure à la longueur capillaire de la phase liquide du fluide, et avec au moins une des ses parois longitudinales ( 11 ) présentant un gradient d'énergie de surface décroissant depuis son entrée vers le fond, le gradient d'énergie de surface permettant d'augmenter l'angle de mouillage du ménisque de la phase liquide du fluide dans le canal borgne depuis son entrée vers le fond. Application à la mesure de la pression d'un fluide diphasique dans un échangeur thermique ou dans une pile à combustible.

Description

DISPOSITIF FORMANT MANOMETRE DESTINE A LA MESURE DE PRESSION DE FLUIDE DIPHASIQUE, PROCEDE DE REALISATION
ET RESEAU FLUIDIQUE ASSOCIES
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne un dispositif formant manomètre, destiné à mesurer la pression d'un fluide diphasique dans un réseau fluidique.
Elle a trait à une amélioration de la sensibilité d'un manomètre en permettant une diminution notoire des dimensions et son intégration dans un réseau fluidique.
Les applications particulièrement visées par l'invention sont les échangeurs thermiques à fluides diphasiques, la pile à combustible ou autre système impliquant l'utilisation d'un mélange diphasique fonctionnant autour de la pression atmosphérique .
ART ANTERIEUR
Dans des systèmes, tels qu'un échangeur thermique à fluide diphasique ou la pile à combustible, les phases liquide et vapeur d'un même fluide sont simultanément présentes dans le réseau fluidique supportant les échanges thermique et massique.
La pression du fluide, le rapport de flux massique entre les phases vapeur et liquide (titre) du fluide diphasique ainsi que leur distribution respective dans le réseau fluidique sont des paramètres révélateurs, à chaque instant, de l'efficacité de fonctionnement du système.
Ainsi, la connaissance précise de ces paramètres, en temps réel et dans les points critiques du réseau fluidique, tels que les points chauds, les points d'assèchement, les points d'engorgement, pourrait permettre de prévenir un dysfonctionnement/détérioration ou de corriger/ajuster le régime de fonctionnement des systèmes.
Autrement dit, il serait souhaitable de pouvoir intégrer des dispositifs de mesure précis de ces paramètres plus particulièrement de la pression, directement dans les réseaux fluidiques de systèmes évoqués ci-dessus, sans nuire à leur fonctionnement ou à leur compacité.
Il est connu de mesurer la pression d'un liquide à l'aide d'un manomètre.
En particulier, il est connu de mesurer la pression d'un liquide en mesurant le déplacement d'un ménisque du liquide dans un tube capillaire.
Le brevet US 4, 404, 855 propose la mesure d'un différentiel de pression par mesure du déplacement d'un ménisque de liquide à l'interface avec une bulle d'air injectée par une seringue afin d'augmenter d'un facteur 104 la sensibilité de mesure. Les dimensions du dispositif de mesure ainsi proposé sont macroscopiques et ne permettent pas son intégration dans un réseau fluidique d'un système compact. En outre, le déplacement minimum du ménisque qui peut être observé est de l'ordre de 0,1 mm et nécessite l'utilisation de moyens optiques extérieurs à l'élément sensible du manomètre à proprement parler.
Le but de l'invention est alors de proposer une solution permettant d' intégrer un dispositif de mesure précis de la pression d'un fluide diphasique dans un réseau fluidique d'un système, tel qu'un échangeur thermique ou une pile à combustible sans nuire au fonctionnement de celui (celle) -ci ni à sa compacité . EXPOSÉ DE L' INVENTION
Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif formant manomètre, destiné à la mesure de la pression d'un fluide diphasique dans un réseau fluidique, comprenant :
- un premier canal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler,
- un deuxième canal débouchant sur le premier canal, le deuxième canal étant borgne, avec chacune de ses dimensions inférieure à la longueur capillaire de la phase liquide du fluide, et avec sa paroi longitudinale présentant un gradient d'énergie de surface décroissant depuis son entrée vers le fond, le gradient d' énergie de surface permettant d' augmenter l'angle de mouillage du ménisque de la phase liquide du fluide dans le canal borgne depuis son entrée vers le fond .
La longueur capillaire est une dimension caractéristique d'un liquide sur laquelle les forces capillaires et les forces gravitationnelles sont de même grandeurs. Pour l'eau, la longueur capillaire le et le volume capillaire Vc ont pour valeur respectivement : le ~ -g ~ 2.7 mm
et
4 il λ3
-.π
vc ~ 3 Δ ) ~ 10 yL,
Ainsi, dans le cadre de l'invention, pour un liquide donné, chacune des dimensions constituées par le diamètre hydraulique et la longueur du canal borgne est inférieure à la longueur capillaire du liquide .
Ainsi, selon l'invention la réalisation d'un canal borgne connecté directement à un canal (canal principal) d'un réseau fluidique et l'ajout d'un gradient d'énergie de surface le long de sa paroi longitudinale permet de localiser précisément un ménisque de liquide à l'interface avec la phase vapeur.
Le déplacement de ce ménisque est dépendant de la pression du fluide en entrée du canal borgne.
Les inventeurs sont en effet partis du constat que dans un manomètre à liquide le déplacement du ménisque à l'interface avec une bulle d'air sous l'effet d'une pression était influencé par le mouillage du liquide en contact avec les parois du tube capillaire .
Ils ont donc cherché à étudier plus précisément cette influence à partir d'un canal borgne dans lequel sont simultanément présents un fluide en phase liquide et en phase vapeur. De l'air peut aussi être présent dans la phase gazeuse.
Cette configuration est représentée en figure 1.
La relation d'équilibre de force peut ainsi s'écrire de la manière suivante :
Plivui e - P gaz = COS9 e ( 1 )
Figure imgf000007_0001
dans laquelle :
Piiquide est la pression du liquide ;
Pgaz est la pression du gaz ;
W la largeur du canal borgne ;
H est la hauteur du canal borgne ;
o est la constante de tension superficielle de 1' eau (-72 mJ/m2) ;
9e est l'angle de mouillage de l'eau sur la paroi longitudinale 11 du canal borgne 1.
Cette équation s'écrit de manière différente :
4
AP =— σ cos0„ (2) où ΔΡ = Piiquide ~ Pgaz et Dh est le diamètre hydraulique qui est défini par :
La pression du gaz piégé dans cavité 10 peut être déterminée par l'équation des parfaits : dans laquelle Patm est la pression atmosphérique,
Ll est la distance entre un ménisque plat ( cos0e = l ) et le fond de la cavité 10 ;
et y la position du ménisque de liquide (eau) à l'interface avec le gaz.
On peut considérer que l'effet de mouillage est significatif si les deux termes de l'équation (2) sont de même ordre de grandeur.
La figure 2 montre la courbe représentative de la différence de pression en fonction du diamètre hydraulique. La zone située au-dessus de cette courbe est la zone de faible sensibilité du mouillage, alors que celle en-dessous est de forte sensibilité du mouillage. Par exemple, à un diamètre hydraulique de 2 ym, l'effet du mouillage est significatif si la différence de pression est inférieure à 1,1 bar.
Les inventeurs ont alors étudié l'influence de l'angle de contact (angle de mouillage) sur le déplacement y du ménisque de liquide à l'interface avec le gaz.
En considérant que l'angle de contact est constant, c'est-à-dire en écrivant la relation
cosQe =K (5')
On a la relation :
Figure imgf000008_0001
D' où : y = Lx (6)
P σ K
D„
On a illustré en figures 3A à 3C, trois configurations d'angle de contact du liquide différents de valeur respectivement de 20°, 90° et 120° et où les dimensions caractéristiques H, Ll et L2 sont montrées.
En considérant une variation linéaire du cosinus de l'angle de contact le long de la paroi longitudinale du canal borgne, on a cos0e = Ki y (7) avec g _ cos^max -COS0mjn _ COS0max COS0mjn
(8) remplaçant (2) et (3) dans (1), on a la relation
Figure imgf000009_0001
yL + G y + G2 =0 (12) avec
Figure imgf000010_0001
(14)
D,
Κγ < 0
Ainsi, on a la relation
-Gl + 2
(15) y
En considérant une variation du deuxième ordre du cosinus de l'angle de contact le long de la paroi longitudinale du canal borgne, on a cos0e = K2 2
y (16) avec K2 - COS0max (17)
T2
Ainsi, pour la position y du ménisque on obtient la relation :
Figure imgf000010_0002
Les inventeurs ont alors réalisé une étude comparée en choisissant l'exemple numérique suivant :
- plage de pression d'étude de 1 à 2 bar pour avoir une grande sensibilité du mouillage,
- Ll = L2 = 100 ym,
- profondeur et largeur de canal
H = W = lym, - angle θθ variant de 0° depuis l'entrée du canal borgne à 90° sur la longueur L2,
- angle 9e variant de 90° à 150° sur la longueur Ll au fond du canal borgne.
La figure 4A montre la courbe représentative du cosinus de l'angle Ge en fonction de la position y du ménisque liquide.
La figure 4B montre la courbe représentative de la position du ménisque y en fonction de la pression P.
La figure 4C montre la courbe représentative de la sensibilité de déplacement du ménisque en fonction de la pression P.
Ainsi, à partir de cette étude, les inventeurs sont parvenus à la conclusion qu'en faisant varier l'angle de mouillage (angle de contact) on pouvait très fortement augmenter la sensibilité de mesure d'un manomètre dont le principe de mesure est la position d'un ménisque liquide.
Autrement dit, les inventeurs ont en conclu que l'utilisation d'un gradient d'énergie de surface permet d'augmenter la sensibilité de mesure d'un manomètre par rapport à une surface hydrophobe à énergie de surface constante. En outre, ils ont conclu que cette augmentation de sensibilité de mesure est encore plus importante avec un gradient de cosinus d' angle de 2eme ordre comparativement à un gradient de cosinus linéaire.
Ainsi, un dispositif selon l'invention peut être, du fait de sa grande sensibilité de mesure, de dimensions microscopiques pour des variations de pression relativement minimes, typiquement de l'ordre de 1 bar. Il peut donc être intégré dans un réseau de fluidique sans nuire à sa compacité ni à son fonctionnement .
Pour réaliser le gradient d'énergie de surface sur au moins l'une des parois longitudinales, on peut jouer sur plusieurs paramètres tels que la variation de la composition chimique du matériau en surface de la ou des paroi (s) longitudinale ( s ) ou la variation de la structuration de la ou des paroi (s) longitudinale ( s ) . Ladite variation de structuration de nature micro ou nanométrique relève d'une variation soit de la forme (profondeur, largeur) des cavités, soit de la densité desdites cavités soit de la forme et de la densité des cavités formant structuration de surface desdites parois. On peut ainsi principalement envisager trois solutions comme suit :
- une composition chimique uniforme et une structure de surface à gradient de profondeur croissant depuis l'entrée du canal borgne vers le fond,
- une composition à gradient chimique depuis l'entrée du canal borgne vers le fond et une structure de surface uniforme,
- une composition à gradient chimique et une structure de surface à gradient de profondeur depuis l'entrée du canal borgne vers le fond uniforme.
Pour un dispositif de dimensions microscopiques à intégrer dans une pile à combustible ou échangeur thermique à fluide diphasique, les dimensions transversales (ou diamètre hydraulique) du canal borgne peuvent être comprises entre 50 nm et 5 ym, pour mesurer une variation de pression supérieure à 0.5 bar (Figure 2) .
La longueur du canal borgne peut être comprise entre 50 nm et 500 ym.
Le canal borgne peut être de section transversale sensiblement rectangulaire, c'est-à-dire une forme rectangulaire ou assimilable, avec/sans arête
(polygonale/ovoïdal ) .
On prévoit avantageusement d' intégrer en partie dans le canal borgne les moyens de mesure de la position du ménisque de liquide dans le canal borgne pour déterminer la pression du fluide.
Dans un mode de réalisation avantageux, ces moyens de mesure comprennent deux électrodes agencées sur deux parties de parois longitudinales en regard l'une de l'autre et s' étendant chacune de l'entrée au fond du canal borgne, les électrodes formant avec un fluide diphasique présent dans le canal borgne un condensateur à capacitance variable.
La mesure de pression est déterminée par la position du ménisque liquide à l'équilibre dans le canal borgne. Le ménisque définit un rapport de volume liquide/vapeur variable dans le canal selon sa position. Ce rapport de volume, ou sa variation, peut être apprécié par une mesure électrique de la capacité moyenne du fluide diphasique dans le canal.
L'utilisation des deux électrodes en vis-à-vis permet de mesurer la capacitance du fluide.
En figure 5, on a représenté une implantation de deux électrodes 20, 21 agencées en parallèle l'une de l'autre en haut et en bas du canal borgne 1.
La distance entre les deux électrodes est proche de la profondeur du diamètre hydraulique du manomètre .
La longueur et la largeur des électrodes sont celles du manomètre. La capacitance totale est la somme de la capacitance de la phase vapeur et de la phase liquide du fluide diphasique
Ct = Cl + Cv (20) avec
Figure imgf000014_0001
relations dans lesquelles 0 est la permittivité absolue du vide, £Q -8,854x10 F/m ; ε^ et εν sont respectivement les permittivité relatives dans l'eau et dans l'air.
Ainsi, la capacitance totale est donnée par la relation :
W L W
Ct =— 0(el+ea)- +—e0 (el - ea )y (19)
La capacitance totale, en fonction du rapport entre les dimensions transversales (W/H) du canal borgne, est représentée sur les figures 12A et 12B. Les figures 12C et 12D montrent que la sensibilité de mesure sera d'autant plus grande que ce rapport est important. Dans le cas pratique, ce rapport est supérieur à 1.
Bien évidemment, l'homme de l'art tiendra compte de l'évolution de la permittivité relative de la phase liquide, telle que l'eau en fonction de la température .
L' invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif formant manomètre décrit ci-dessus, selon lequel on réalise les étapes suivantes :
a/ réalisation d'une première partie longitudinale d'un canal borgne dans une plaque de substrat comprenant une première portion d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler,
b/ réalisation d'un gradient d'énergie de surface sur la première partie du canal borgne,
c/ réalisation d'une deuxième partie longitudinale du canal borgne dans une autre plaque de substrat comprenant une deuxième portion d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler , la première et la deuxième parties longitudinales du canal borgne étant de longueur identique,
d/ report d'une plaque de substrat sur l'autre avec alignement des deux parties longitudinales du canal borgne et des deux portions du canal principal ,
e/ fermeture des deux plaques de substrat entre elles. Pour réaliser une composition à gradient chimique selon les étapes b/ et d/, on peut le faire par un procédé dit procédé SAM (procédé d' auto¬ assemblage des molécules, en anglais « SELF-ALIGNED- MOLECULES ») et déposer tout d'abord une couche de molécules hydrophobes sur la surface du canal. La couche hydrophobe est ensuite partiellement retirée par un plasma ou une ablation laser afin de découvrir localement un substrat hydrophile. L'inverse est également envisageable : une couche de molécule hydrophile sur un substrat hydrophobe.
Le contrôle du design de gravure/ablation permet ainsi de réaliser un gradient chimique de surface. Le gradient peut aussi être obtenu par évaporation d'une molécule fonctionnalisée.
Selon une variante de réalisation, au préalable de l'étape d/, on réalise un même gradient d'énergie de surface sur la deuxième partie longitudinale du canal borgne.
Pour intégrer les électrodes en tant que moyens de mesure, au préalable de chacune des étapes b/ et d/, on réalise avantageusement un dépôt d'une couche mince métallique constituant une électrode dans chaque partie longitudinale de canal borgne. L'électrode peut être déposée en couche mince par une technique de dépôt sous vide de type PVD d'un métal tel que Ti, Cu,....
Dans le cas où la plaque est conductrice, l'élément de connexion électrique avec les électrodes peut être réalisé en face arrière. Dans le cas contraire, un chemin de contact peut être réalisé en même temps et selon le même procédé que l'électrode. Selon les configurations de plaques conductrices ou non, il est également possible de prévoir une ou plusieurs couches électroniquement isolantes (Ex. Si02, Ti02,...) afin d'isoler électriquement le condensateur constitué par les électrodes et le fluide diphasique.
L' invention concerne également un réseau fluidique intégrant un ou plusieurs dispositifs formant manomètres décrit précédemment.
L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un tel réseau fluidique, au moins un des manomètres étant adapté pour mesurer la pression de l'eau produite à la cathode ou à l'anode.
L' invention concerne enfin un échangeur thermique à fluide diphasique susceptible de passer d'une phase liquide à une phase vapeur comprenant un tel réseau fluidique, au moins un des manomètres étant adapté pour mesurer la pression du fluide.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 représente en vue de coupe schématique longitudinale un canal borgne 1 d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 2 montre la courbe représentative de l'évolution des variations de pression en fonction du diamètre hydraulique d'un canal borgne d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 3A à 3C représentent en vue de coupe longitudinale d'un canal borgne d'un dispositif selon l'invention, trois configurations d'angle de contact différentes,
- la figure 4A montre la courbe représentative du cosinus de l'angle 9e en fonction de la position y du ménisque liquide dans le canal borgne,
- la figure 4B montre la courbe représentative de la position du ménisque y en fonction de la pression P,
- la figure 4C montre la courbe représentative de la sensibilité de déplacement du ménisque en fonction de la pression P,
- la figure 5 montre l'implantation de deux électrodes en tant que moyens de mesure de la position du ménisque liquide dans le canal borgne d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 7 à 11B montrent différentes étapes de réalisation d'un canal borgne d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 12A à 12D montrent les différentes courbes représentatives de l'évolution de la capacitance d'un fluide diphasique en fonction de la pression et de la position du ménisque liquide respectivement dans un canal borgne du dispositif selon l'invention et selon la valeur du rapport entre dimensions du canal borgne. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 à 5 ont été commentées en préambule, elles ne sont donc pas commentées ici.
Le dispositif formant manomètre selon l'invention est destiné à la mesure de pression d'un fluide diphasique F.
Il comprend un canal borgne 1 débouchant sur un canal principal 3 d'un réseau fluidique, ouvert ou fermé, au travers duquel circule un fluide diphasique F. Ce canal borgne 1 fait ainsi partie intégrante du réseau.
Chacune des dimensions (longueur, profondeur, largeur) du canal borgne 1 est inférieure à la longueur capillaire de la phase liquide du fluide.
Au moins l'une des parois longitudinales 11 du canal borgne 1 présente un gradient d'énergie de surface décroissant depuis son entrée vers le fond.
Ainsi, selon l'invention, le gradient d'énergie de surface permet d'augmenter l'angle de mouillage du ménisque de la phase liquide du fluide dans le canal borgne 1 depuis son entrée vers le fond.
On a représenté aux figures 7 à 11B différentes étapes de réalisation d'un dispositif.
On réalise d'une première partie 110 longitudinale d'un canal borgne dans une plaque de substrat 4 comprenant une première portion 30 d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler.
On dépose une couche métallique pour réaliser une électrode 20 avec sa prise de contact 200 sur la première partie 110. Puis, on réalise un gradient d'énergie de surface 112 en surface de la couche d'électrode 20 (vue de dessus de la figure 7 et vues en coupe des figures 8A à 11B) .
On réalise de même une deuxième partie longitudinale 111 du canal borgne dans une autre plaque de substrat 5 comprenant une deuxième portion d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler. On dépose de même une couche métallique pour réaliser une électrode 21 avec sa prise de contact puis on réalise un gradient d'énergie de surface identique sur la deuxième partie 111 du canal borgne 1.
La première 111 et la deuxième 110 parties longitudinales du canal borgne sont de longueur identique.
On effectue alors un report d'une plaque de substrat 5 sur l'autre 4 avec alignement des deux parties longitudinales 110, 111 du canal borgne et des deux portions du canal principal (figure 8A, 9A, 10A, 11A) .
Enfin, on réalise l'étape de fermeture des deux plaques de substrat 4, 5 entre elles (figure 8B, 9B, 10B, 11B) .
En ce qui concerne la réalisation du gradient d'énergie, différentes approches sont envisageables telles que deux gradients identiques en regard l'un de l'autre (figures 8A et 8B) .
Alternativement, on peut envisager qu'une des parois ne présente pas de gradient mais soit d'énergie de surface constante soit hydrophile, soit hydrophobe (figures 9A, 9B dans lesquelles la première partie 110 du canal borgne est dépourvue de gradient d'énergie et figures 10A et 10B dans lesquelles la deuxième partie 111 qui est reportée est dépourvue de gradient d'énergie) .
On peut aussi envisager qu'une paroi longitudinale présente un gradient d'énergie de surface donné et l'autre paroi longitudinale en regard présente un gradient d'énergie de surface différent (figures 11A et 11B dans lesquelles la première partie 110 du canal présente un gradient d'énergie de surface 112 tandis que la deuxième partie 111 présente un gradient d'énergie de surface 112' différent).
Les courbes en figures 12A et 12B montrent la variation de la capacitance totale avec la pression et la position du ménisque d'eau (phase liquide) à l'interface avec de l'air et de la vapeur d'eau (phase gazeuse) respectivement dans un canal borgne selon le rapport entre dimensions entre dimensions transversales (W/H) .
Bien que décrite en relation avec un fluide diphasique dont la phase liquide est l'eau et la phase vapeur est l'air et la vapeur d'eau, l'invention peut s'appliquer à bien d'autres fluides diphasiques.
De même, d'autres procédés de réalisation peuvent être envisagés pour réaliser le canal borgne du dispositif selon l'invention. On peut ainsi prévoir un usinage mécanique d'un substrat en aluminium ou acier, une lithographie et gravure d'un substrat silicium ou une réplication par injection ou embossage d'un substrat en polymère.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif formant manomètre, destiné à la mesure de la pression d'un fluide diphasique dans un réseau fluidique, comprenant :
- un premier canal (3) à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler,
- un deuxième canal (1) débouchant sur le premier canal, le deuxième canal étant borgne, avec chacune de ses dimensions inférieure à la longueur capillaire de la phase liquide du fluide, et avec au moins une des parois longitudinales (11) présentant un gradient d'énergie de surface décroissant depuis son entrée vers le fond, le gradient d' énergie de surface permettant d'augmenter l'angle de mouillage du ménisque de la phase liquide du fluide dans le canal borgne depuis son entrée vers le fond.
2. Dispositif formant manomètre selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une paroi longitudinale présente une variation de sa structuration de surface depuis l'entrée du canal borgne vers le fond.
3. Dispositif formant manomètre selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une paroi longitudinale présente une variation de sa composition chimique de surface depuis l'entrée du canal borgne vers le fond.
4. Dispositif formant manomètre selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une paroi longitudinale présente une variation de sa structuration de surface et une variation de sa composition chimique de surface depuis l'entrée du canal borgne vers le fond uniforme.
5. Dispositif formant manomètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dimensions transversales du canal borgne sont comprises entre 50 nm et 5 ym.
6. Dispositif formant manomètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre les dimensions transversales (W/H) du canal borgne est supérieur à 1.
7. Dispositif formant manomètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la longueur du canal borgne est comprise entre 50 nm et 500 ym.
8. Dispositif formant manomètre selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le canal borgne est de section transversale sensiblement rectangulaire .
9. Dispositif formant manomètre selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de mesure de la position du ménisque de liquide dans le canal borgne pour déterminer la pression du fluide, lesdits moyens de mesure étant intégrés en partie dans le canal borgne.
10. Dispositif formant manomètre selon la revendication 9, dans lequel les moyens de mesure comprennent deux électrodes agencées sur deux parties de parois longitudinales en regard l'une de l'autre et s' étendant chacune de l'entrée au fond du canal borgne, les électrodes formant avec le fluide diphasique dans le canal borgne un condensateur à capacitance variable.
11. Procédé de réalisation d'un dispositif formant manomètre, selon lequel on réalise les étapes suivantes :
a/ réalisation d'une première partie longitudinale (110) d'un canal borgne dans une plaque de substrat (4) comprenant une première portion (30) d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler,
b/ réalisation d'un gradient d'énergie de surface sur la première partie du canal borgne,
c/ réalisation d'une deuxième partie longitudinale (111) du canal borgne (1) dans une autre plaque de substrat (5) comprenant une deuxième portion d'un canal principal à l'intérieur duquel un fluide diphasique est apte à circuler , la première et la deuxième parties longitudinales du canal borgne étant de longueur identique,
d/ report d'une plaque de substrat sur l'autre avec alignement des deux parties longitudinales du canal borgne et des deux portions du canal principal ,
e/ fermeture des deux plaques de substrat entre elles.
12. Procédé de réalisation selon la revendication 11, selon lequel au préalable de l'étape d/, on réalise un même gradient d'énergie de surface sur la deuxième partie longitudinale du canal borgne.
13. Procédé de réalisation selon la revendication 12, selon lequel au préalable de chacune des étapes b/ et d/, on réalise un dépôt d'une couche mince métallique constituant une électrode dans chaque partie longitudinale de canal borgne.
14. Réseau fluidique intégrant un ou plusieurs dispositifs formant manomètres selon l'une des revendications 1 à 10.
15. Pile à combustible comprenant un réseau fluidique selon la revendication 14, au moins un des manomètres étant adapté pour mesurer la pression de l'eau à la cathode ou à l'anode.
16. Echangeur thermique à fluide diphasique susceptible de passer d'une phase liquide à une phase vapeur comprenant un réseau fluidique selon la revendication 14, au moins un des manomètres étant adapté pour mesurer la pression du fluide.
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