Brevet FR2727472A1 — publié le 19960531

Dispositif d'alimentation de courant pour véhicule électrique. L'invention se rapporte principalement à un système d'alimentation de courant de type moteur pour véhicule électrique comportant au moins un élément en alliage à mémoire de forme. Ce dispositif producteur de courant, embarqué à bord d'un véhicule à propulsion électrique, sert à recharger les accumulateurs de traction de ce dernier tout au long du trajet. On connaît maintenant des alliages à mémoire de forme (AMF) développés industriellement qui sont historiquement les NiTi, et maintenant de plus en plus les alliages cuivreux, les laitons à l'aluminim contenant du cuivre, du zinc et de l'aluminium, dont le changement de structure du métal, c'està-dire l'arrangement ordonné de ses atomes, peut passer d'une structure à une autre sou s l'effet des changements de température et/ou des contraintes qui leur sont imposés et, lorsqu-'ils sont réversibles, sont la base de l'effet visible de la mémoire de forme. Selon la présente invention, on utilise les éléments en AMF pour transformer l'énergie calorifique en énergie cinétique, elle-même transformée en énergie électrique. Pour obtenir le changement de phase désiré, on élève et on abaisse alternativement la température de l'élément en AMF. Dans un premier exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, on utilise une source froide puis une source chaude appliquée à l'élément en alliage à mémoire de forme pour obtenir ce qu'on appelle "l'effet de mémoire simple" - par application d'une contrainte, on peut donner à une pièce de forme A, la forme B. La propriété d'une pièce en AMF est de pouvoir retrouver sa forme initiale par simple réchauffage. Cerpendant un abaissement de la température ne permettra pas le retour à la forme précédente. - En revanche, après un traitement convenable "d'éducation" de la pièce, il est possible de revenir à la forme B par simple abaissement de la température. On peut alors recommencer ce cycle un très grand nombre de fois, et créer ainsi un aller et retour entre deux formes A et B dépendant uniquement de la température. L'explication du phénomène de mémoire de forme se trouve dans l'étude de la structure du métal, c'est-à-dire l'arrangement ordonné de ses atomes. Ainsi, les alliages de type CuZiAl peuvent passer d'une structure à une autre sous l'effet des changements de température et/ou des contraintes qui leurs sont imposées. Ces changements de structure -à l'échelle microscopique- sont liés aux changements de forme -a l'échelle macroscopique- et lorsqu'ils sont réversibles, sont à la base de l'effet visible de mémoire de forme. Dans un second exemple de réalisation du dispositif, l'application d'une contrainte extérieure qui conduit, à l'échelle macroscopique, à un changement de forme, se traduit, à l'échelle microscopique, par une déformation de la structure martensite, composée elle-même, en fait, de plusieurs structures juxtaposées. Dans le troisième exemple de réalisation du dispositif, l'élément à mémoire de forme peut prendre une forme prédéterminée pour chaque phase. Ainsi, il est possible, aussi bien de lui faire suivre le trajet d'une courroie par exemple, que d'effectuer un appui pour récupérer directement l'énergie mécanique provenant de la déformation. En faisant suivre une trajectoire prédéterminée, il est possible de faire varier l'énergie potentielle du dispositif dans un champ, par exemple le champ gravitationnel terrestre. La déformation par suite d'échauffement d'un élément à mémoire de forme provoque l'augmentation de l'énergie potentielle du dispositif dans un champ et l'élévation du centre de gravité du dispositif de l'invention. Des moyens pour récupérer l'énergie, par exemple un moyeu sur lequel sont montés les éléments à mémoire de forme, récupèrent l'énergie potentielle dans le champ gravitationnel terrestre par abaissement du centre de gravité. Avantageusement, l'énergie est récupérée sous forme de rotation du dispositif. Bien entendu, l'utilisation d'autres champs tels qu'un champ électrique ou magnétique ne sort pas du cadre du principe exprimé ci-dessus. L'invention a principalement pour objet un dispositif d'alimentation de courant comportant un élément en alliage à mémoire de forme (AMF) dont le changement de cycle provoque une déformation et des moyens pour faire subir des changements alternatifs de phase audit élément en AMF, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour récupérer l'énergie- provenant desdites déformations et la transformer en énergie cinétique et/ou énergie électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après des figures annexées données comme des exemples non limitatifs, particulièrement - les figures 1 et 2 sont des schémas explicatifs du phénomène de mémoire de forme, la figure 1 décrivant l'effet de mémoire simple, la figure 2 décrivant l'effet de mémoire réversible; - la figure 3 est un graphique montrant le changement de structure d'un AMF en fonction de la température; - la figure 4 analyse le changement de la structure en fonction de la température et de la contrainte appliquée; - les figures 5a, 5b et 5c sont des schémas explicatifs du dispositif selon la présente invention; - la figure 6 est un exemple de réalisation d'un moteur à éléments en AMF selon le dispositif de la présente invention; - la figure 7 est un schéma synoptique représentant les divers éléments réunis et formant un ensemble fonctionnel. Sur la figure 1, on peut voir l'effet de mémoire simple d'un AMF pris parmi les alliages cuivreux, par exemple les laiton à l'aluminium contenant du cuivre, du zinc (15 à 30%) et de l'aluminium (4 à 8%) - Par application d'une contrainte (3), on peut donner à une pièce, de forme stable A (1), la forme stable B (2). La propriété d'une pièce en AMF est de pouvoir retrouver sa forme initiale par simple réchauffage (4). Cependant, un abaissement de la température ne permettra pas le retour à la forme B (2). En revanche (figure 2), après un traitement convenable "d'éducation" de la pièce, il est possible de revenir à la forme B (2) par simple abaissement de la température (5). On peut recommencer ce cycle un très grand nombre de fois, et créer ainsi un aller et retour entre deux formes A (1) et B (2) dépendant uniquement de la température. L'explication du phénomène de mémoire de forme se trouve dans l'étude de la structure du métal, c'est-à-dire l'arrangement ordonné de ses atomes. Les alliages de type CuZnAl peuvent passer d'une structure à une autre sous l'effet des changements de température et/ou des contraintes qui leur sont imposées. Ces changements de structure -à l'échelle microscopique- sont liés aux changements de forme -à l'échelle macroscopique- et lorsqu'ils sont réversibles, sont la base de l'effet visible de mémoire de forme. La figure 3 est un graphique montrant le changement de structure d'un alliage en AMF en fonction de la température. La structure de ces alliages est appelée conventionnellement: - Martensite à basse température, - Austénite à température plus élevée. Observons le changement de structure d'un fil en alliage CuZiAl en fonction de la température, cette structure pouvant être repérée par la résistivité du fil. Il apparaît 4 températures critiques pour le changement de structure - Au chauffage AD et AF : Début et Fin de la transformation de la martensite en austénite. - Au refroidissement : MD et MF : Début et Fin de l'austénite en martensite. On observe donc des changements de structure microscopique en fonction de la température, qui sont réversibles, mais avec un décalage entre eux. Cependant, lorsqu'il y a seulement variation de température sans qu'il y ait de contrainte extérieure appliquée, ces changements de structure ne se traduisent pas par des changements de forme macroscopique. Il y a en effet, dans ce cas, auto-accomodation de la structure. La figure 4 représente le changement de structure en fonction de la température et de la contrainte appliquée. L'application d'une contrainte extérieure (3) qui conduit, à l'échelle macroscopique, à un changement de forme, se traduit, à l'échelle microscopique-, par une "déformation" de la structure martensite, composée elle-même, en fait, de plusieurs structures juxtaposées. Aussi, les changements de structure au cours du phénomène d'effet à mémoire sont illustrées comme suit Dans la forme A (1) de départ et à une température inférieure à AD, l'alliage est dans l'effet martensite M (6) que l'on peut présenter pour simplifier, composée de deux structures juxtaposées et de forme macroscopique cubique. Lors de l'application de la contrainte (3) pour obtenir la forme B (2), une des structures se développe au détriment de l'autre, et on obtient une structure martensite "déformée" M' (7) dont la forme macroscopique est celle d'un parallélépipède oblique. Si on élève la température au-delà de AF, on obtient la structure d'austénite (8), dont la forme macroscopique est identique à celle de la martensite M (6) (c'est à dire cubique. On revient donc à la forme A (1) de départ. Dans le cas de l'effet de mémoire simple, lorsque la température devient inférieure à MF, la structure redevient martensite mais, du fait de la faculté d'auto-accomodation de celle-ci, la forme macroscopique A (1) est conservée. En revanche, dans le cas de l'effet de mémoire réversible, l'alliage ayant été éduqué", la structure obtenue par abaissement de température est la martensite "déformée" M' (7). On revient donc à la forme macroscopique B (2). Les figures 5a, 5b, 5c illustrent une application fonctionnant sur le même principe. Deux roulettes (9, 10) (la plus petite (9) est en laiton), montées sur des axes (ou moyeux) (20), sont reliées par un fil en AMF en forme de courroie (11) réalisé par exemple dans un alliage NiTI appelé Nitinol réagissant à des températures comprises entre +500C et +85 OC. Ce fil en AMF est naturellement détendu à température basse (11 a). Il se tend (llb) lorsqu'il atteint le seuil de température haute qui mémorise sa forme pré-établie. Chaleurs et refroidissements successifs provoquent étirements et rétractations successives (éducation du métal) qui provoquent la rotation prédéterminée des roulettes entraînées par l'AMF. Chauffé (trempé dans un liquide chaud par exemple) ce fil en AMF est détendu (lla) lorsqu'il est froid. I1 se tend (moment d'étirement llb) lorsqu'il atteint le seuil de température qui mémorise sa forme pré-établie (première contrainte) et, de par le traitement "d'éducation" qu'il a subi, passe de la forme A (1) à la forme B (2) en fonction du pourcentage des deux métaux constituant le matériau à mémoire de forme et chaleur et refroidissements successifs provoquent la rotation des roues par entraînement de la courroie. La figure 6 est un exemple non limitatif de moteur AMF construit selon les principes illustrés par les figures précédentes et le choix des matériaux indiqués ou indications quantitatives figurant au descriptif ne sont évidement pas restrictifs. Une courroie équivalente à 100 fils en AMF ayant subi une éducation préalable (11) relie deux cylindres en aluminium, l'un chaud (9), l'autre froid (10) montés sur moyeux (20) l'un et l'autre sur supports à roulements. La courroie (ou les fils) en AMF en forme de courroie (11) peut être réalisée par exemple dans un alliage NiTI appelé Nitinol réagissant à des températures comprises entre +500C et +85 oC. Naturellement détendu à température basse, la courroie se tend lorsqu'elle atteint le seuil de température haute qui mémorise sa forme pré-établie. Chaleurs (4) et refroidissements successifs (5) provoquent étirements et rétractations successives (éducation du métal) qui provoquent la rotation prédéterminée de la courroie et des cylindres entraînés par 1'AMF. Sur la figure 7 du dessin, le système d'alimentation de courant proposé est représenté schématiquement sous la forme d'éléments groupés en un ensemble fonctionnel. Ce dispositif producteur de courant (12), embarqué à bord d'un véhicule à propulsion électrique, sert à recharger les accumulateurs de traction de ce dernier tout au long du trajet parcouru par ledit véhicule. Le moteur AMF (12) est alternativement - chauffé par un apport de chaleur provenant d'une source d'énergie extérieure (14) et de la récupération de chaleur provenant du moteur électrique, - refroidi, par le circuit naturel de refroidissement (15) du véhicule, une régulation intervenant entre les deux niveaux de température par l'utilisation de caloducs (16) utilisés comme transporteurs "rapides" de chaleur et/ou de-froid. L'énergie cinétique générée par le moteur en alliage à mémoire de forme est récupérée, puis redressée électroniquement (17) et transmise directement à un accumulateur (18) et/ou au circuit électrique du véhicule(l9). Jusqu'ici l'alimentation en courant d'un véhicule automobile électrique, ne pouvait se faire qu'à l'arrêt. L'invention permet au contraire de recharger les batteries de traction pendant le parcours effectué par le véhicules et donc - d'alléger considérablement le poids des batteries de traction, celles-ci étant rechargées "en tampon", au fur et à mesure, - d'augmenter notoirement le rayon d'action, sans recharge, d'un véhicule à propulsion électrique. REVENDICATIONS 1 - Dispositif comportant un élément en alliage à mémoire de forme (AMF) (11) dont le changement de cycle provoque une déformation et des moyens pour faire subir des changements altemattts de phase (6, 7, 8) audit élément en AMF. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que la déformation par suite (réchauffement deun élément à mémoire de forme provoque l'augmentation de l'énergie potentielle du dispositif dans un champ et que des moyens (20, 17) récupèrent ladite énergie potentielle. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 2, caractérisé par le fait que le champ est le champ gravitationnel terrestre. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour récupérer l'énergie (20, 17) provenant desdites déformations et la transformer en énergie cinétique et/ou en énergie électrique. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie est récupérée sous forme de rotation. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracterisé en ce qu'il comporte au moins un élément en alliage à mémoire de forme de Wpe courroie d'entraînement. 7 - Générateur de courant embarqué dans un véhicule électrique caractérisé en ce que l'énergie électrique générée par le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes sert à recharger les accumulateurs de traction tout au long du trajet parcouru par le dit véhicule.