Brevet FR2513811A1 — publié le 19830401

L'invention concerne d'une manière générale la prévention et l'enlèvement du givre et de la glace et elle a trait en particulier à un dispositif et un procédé d'élimination de la glace, utilisant des couches de poly- (fluorure de vinylidène) piézoélectrique; La formation de la glace sur des objets fixes et des objets mobiles peut être dangereuse en plus d'être gênante Ce problème est particulièrement ennuyeux dans les cas des ponts, des trottoirs et des véhicules station- nés et en mouvement De nombreux essais ont visé à résoudre ce problème, mais aucune solution idéale n'a encore été trouvée Certains dispositifs ont été conçus pour prévenir la formation de la glace, tandis que d'autres ont été conçus pour faire fondre la glace après sa formation sur une structure En général, les procédés et les dispositifs de l'art antérieur utilisent des moyens chimiques qui nécessitent des remplissages, ou bien ils utilisent des dispositifs sophistiqués et/ou à grande puissance électrique pour effectuer l'action de dégivrage. Des dispositifs d'élimination de la glace utili- sant des vibrations engendrées par divers moyens, par exemple la génération d'impulsions magnétiques ou de pres- sion (brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 549 964), ou bien des vibrateurs magnétostrictifs montés sur des murs (brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 672 610 et N O 3 779 488), ou encore des conducteurs électriques montés sur des murs (brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 809 341), sont connus Des éléments piézoélectriques ont été utilisés comme détecteurs de givre et de glace (brevets des Etats- Unis d'Amérique N O 3 270 330 et N O 4 176 524). Les dispositifs de dégivrage nécessitent une série de générateurs d'impulsions ou de bobines d'induction et utilisent un ensemble rotativement complexe de fils conducteurs et un milieu de travail pour transmettre les vibrations aux surfaces à dégivrer. Des transducteurs piézoélectriques formés de films ou minces feuilles de polymère ont été développés au cours des dernières années (brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 832 580) Des transducteurs constitués de films de poly(fluorure de vinylidène) ont été utilisés pour minimiser les salissures marines dues à des organismes marins, en communiquant des vibrations et des sons à haute fréquence aux coques de navires (La Tour et collaborateurs: "Appli- cation of PVF 2 Transducers as Piezoelectric Vibrators for Marine Fouling Prevention", Ferroelectrics Vol 32, pages 3337, 1981, et brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 283 461). L'invention concerne un procédé et un dispositif pour prévenir la formation de la glace sur une surface. Le procédé et le dispositif utilisent un élément piézo- électrique polymère à film mince, appliqué sur la surface, et des moyens pour appliquer de l'énergie électrique à cet élément afin de le faire vibrer L'élément comprend un film constitué d'une couche de polymère piézoélectrique, de préférence un polymère de pokfluorure de vinylidêne), ayant au moins une couche conductrice en contact avec la couche L'élément piézoélectrique peut être isolé électri- quement des surfaces conductrices du courant électrique au moyen d'une couche d'adhésif isolant afin de réduire la puissance demandée, et il peut comporter une couche superficielle anti-glace (repoussant la glace) pour favo- riser la prévention et l'élimination de la glace. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: la figure 1 est une coupe transversale schéma- tique d'une forme de réalisation du dispositif selon l'invention; la figure 2 est une coupe transversale sché- matique d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention; et la figure 3 est une coupe transversale sché- matique d'une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention comportant une couche superficielle anti- glace. Le dispositif et le procédé de l'invention pour prévenir et éliminer la glace et le givre utilisent de préférence certains films de copolymère et de polymère de fluorure de vinylidène qui se sont révélé avoir une activité piézoélectrique très intense De plus, ils sont non mouillables à un certain degré, ce qui aide à préve- nir et éliminer la glace, et ils présentent d'excellentes caractéristiques de résistance aux intempéries Une activité piézoélectrique intense est obtenue dans des films qui ont été orientés uniaxialement ou biaxialement et polarisés afin de présenter une polymérisation permanente, ainsi qu'il est bien connu dans ce domaine On réalise habituelle- ment les éléments piézoélectriques en intercalant le film entre des feuilles conductrices, ou, plus commodément, en déposant, par évaporation sous vide, une matière con- ductrice telle que de l'aluminium sur l'une des faces du film ou sur ses deux faces Outre des homopolymères de poly(fluorure de vinylidène), des films de copolymères et de terpolymères de fluorure de vinylidène avec d'autres monomères halogénés tels que, par exemple,du tétrafluor- éthylène, du fluorure de vinyle, du trifluoréthylène, du chlorotrifluoréthylène et du chlorure de vinyle, dans lesquels le fluorure de vinylidène constitue la partie principale, conviennent également à la formation d'éléments piézoélectriques ayant une activité intense Les éléments piézoélectriques peuvent être mis en vibration de façon continue, dans trois dimensions, par l'application d'un potentiel électrique aux couches conductrices, par exemple au moyen d'une source d'alimentation en courant alternatif. En variante, les vibrations du film peuvent être dues à une force appliquée à ce film et engendrant un potentiel électrique à travers ledit film, par exemple par l'effet des précipitations frappant contre la surface de l'élément. La figure 1 représente un film 11 de poly(fluorure de vinylidène) piézoélectrique dont les deux faces portent des électrodes formées par des couches conductrices 13 et 17, par exemple en aluminium, de façon à former un élément piézoélectrique qui est monté sur une surface d'un trottoir ou d'un pont 14 en béton Le film 11 est animé d'un mouvement vibratoire lorsque son circuit 15, compre- nant une source 21 d'énergie, est fermé au moyen d'un interrupteur 10 Le film 11 de poly(fluorure de vinylidène) est orienté uniaxialement et présente une épaisseur d'environ 25 hm, les couches 13 et 17 d'aluminium appli- quées sur ses surfaces ayant chacune une épaisseur d'en- viron l'td nm L'épaisseur du film de poly(fluorure de vinylidène) peut varier entre environ 8 et 200 gm,l'épais- seur inférieure étant limitée par des considérations de résistance et l'épaisseur supérieure par des considérations de coût Les épaisseurs des couches d'aluminium ne sont pas critiques et sont de préférence comprises entre environ et 150 nm Le film piézoélectrique présente un coeffi- cient de contrainte piézoélectrique d 31 d'environ 20 picomètres/volt, d 31 étant le coefficient obtenu par éti- rement du film dans la direction de l'orientation, un coefficient de contrainte piézoélectrique d 32 d'environ 3 picomètres/volt, d 32 étant le coefficient obtenu par étirement du film dans une direction perpendiculaire à la direction d'orientation, et un coefficient de contrainte piézoélectrique d 33 d'environ 20 picomètres/volt, d 33 étant le coefficient obtenu par compression du film dans la direction de l'épaisseur Un film typique à orientation biaxiale aurait des coefficients de contrainte d 31 et d 32 d'environ 8 picomètres/volt et un coefficient de contrainte d 33 d'environ 20 picomètres/volt L'activité d 31 ou d 33 du film peut être réglée par les conditions de polarisation utilisées dans la formation de l'élément piézoélectrique et elle est généralement comprise entre environ 10 et picomètres/volt La source d'énergie est choisie pour produire des vibrations dans la gamme des fréquences des ultrasons ( 20 000 Hz à 20 M Hz) La puissance est comprise entre environ 0,1 et 5 watts/mètre carré, avec des tensions appliquées à travers le film comprises entre environ 50 et 1000 V On choisit une fréquence pour obtenir la meilleure élimination de la glace du givre dans une application particulière En variante, on peut modifier constamment la fréquence au moyen d'un générateur à balayage ou on peut appliquer simultanément un certain nombre de fréquences Les vibrations ont pour fonctions à la fois d'inhiber la formation des cristaux de glace et d'empêcher la glace de former une couche adhérente sur la surface si l'humidité se congèle. Une variante du dispositif de la figure l comporte un élément piézoélectrique isolé électriquement d'une structure métallique de base 12 (figure 2) au moyen d'une couche adhésive isolante 16, par exemple un adhésif à base d'époxy ou d'uréthanne Il est également possible d'utiliser une base métallique constituant une couche d'électrode, bien que ceci accroisse habituellement la puissance demandée On peut également, dans certaines ap- plications, éliminer la couche suoérieure d'éleçtrode 17 et utiliser la masse limitée résultant de l'eau ou de la glace re- couvrant la surface pour fermer le circuit et communiquer au film 11 un mouvement vibratoire Dans ce cas, l'in- terrupteur 10 est inutile. La figure 3 représente une autre forme de réali- sation du dispositif selon l'invention qui utilise une couche superficielle 20 repoussant très efficacement la glace Des matières connues repoussant la glace compren- nent des polytétrafluoréthylènes (PTFE) qui peuvent être collés sur la couche supérieure 18 de métallisation par une couche adhésive 19, par exemple à base d'uréthanne ou d'époxy La désignation PTFE englobe les copolymères de tétrafluoréthylène et soit d'hexafluoropropylène, soit de perfluoroxétane Des copolymères commercialisés ayant ces structures comprennent le "T 4 flon FEP" et le "Téflon PFA" commercialisés par la firme Du Pont de Nemours On choisit également des matières ayant de bonnes caractéristiques de résistance aux intempéries La couche 11 de poly(fluorure de vinylidène) est accouplée à la couche 20 qui est ainsi mise en vibration à la fréquence' du poly(fluorure de vinylidène), ce qui a pour conséquence de faire diminuer davantage la possibilité d'adhérence de la glace sur la surface. Dans certains cas, les films piézoélectriques de prévention de la glace selon l'invention ne nécessitent pas qu'il leur soit appliqué une tension électrique Ces films peuvent se comporter comme leurs propres générateurs électriques lorsqu'ils sont frappés, même partiellement, par de la neige, de la neige fondue, de la pluie, etc. En fait, une force agissant sur le film piézoélectrique engendre une tension qui se répartit sur la couche de métallisation et met en vibration toutes les zones du film, qu'elles soient déjà recouvertes ou non de glace, ou bien sujettes à la formation de la glace. Le dispositif et le procédé de l'invention per- mettent de recouvrir de grandes surfaces exposées à des conditions de givrage et de formation de glace, à l'aide d'un film mince Le film est aisément appliqué et il peut épouser le contour de la surface, ce qui permet à des surfaces courbes aussi bien que planes, présentées par toute structure, d'être aisément dotées de propriétés repoussant la glace Le dispositif est relativement simple par rapport aux vibrateurs antérieurs à magnétostriction et ses demandes en énergie sont relativement faibles Il n'est pas limité à la prévention de la formation de la glace sur de petites zones ou sur des structures à paroi mince, pouvant être ellesmmes animées d'un mouvement vibratoire, mais il peut également être utilisé-pour empêcher la formation de la glace sur des objets épais tels que des chaussées en béton. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour prévenir et éliminer la glace d'une structure ayant une surface en contact avec l'hu- midité atmosphérique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément piézoélectrique à film mince disposé sur la surface de la structure ( 14) et comprenant une couche piézoélectrique polymère ( 11) et au moins une couche électriquement conductrice ( 13 ou 17) en contact avec la couche piézoélectrique polymère. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche piézoélectrique polymère est un film de poly(fluorure de vinylidène). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit film est constitué d'un homopolymère de fluorure de vinylidène. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique ( 15) destiné à faire vibrer ledit élément. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure est conductrice du courant électrique et comprend des moyens isolants ( 16) qui isolent électriquement ledit élément de ladite structure. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens isolants comprennent une couche adhésive ( 16) qui maintient ledit élément sur la surface de la structure ( 12). 7 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément comporte une couche électriquement conductrice ( 13, 17) en contact avec chacune des faces du film de poly(fluorure de vinylidène). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface extérieure dudit élément éloignée de ladite structure porte une couche ( 20) repoussant la glace. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche repoussant la glace est en un polymère fluorocarboné, et notamment en polytétrafluoréthylène. Procédé pour prévenir la formation de la glace sur une surface, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un élément piézoélectrique polymère à film mince ( 11) sur ladite surface et à faire vibrer cet élément à une fréquence ultrasonore. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit élément comprend un film ( 11) de poly- (fluorure de vinylidène) piézoélectrique.