Brevet FR2924220A1 — publié le 20090529

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif et un procédé de mesure de propriétés thermophysiques des matériaux. En particulier, la présente invention concerne un dispositif et un procédé pour mesurer la conductivité thermique du matériau étudié, et plus particulièrement des aliments. Etat de la technique La mesure de référence pour la conductivité thermique est la plaque chaude gardée, décrite dans : Norme Internationale ISO 8302 :1991, suisse, 1991. Selon cette méthode, la mesure de conductivité thermique se fait à l'état stationnaire. Il existe aussi des méthodes de mesure en régime transitoire (méthode Laser Flash, méthode du fil chaud). L'état stationnaire est souvent préféré, car alors la conductivité thermique est inversement proportionnelle à une différence de température mesurée entre les deux surfaces de l'éprouvette, et ne dépend pas des autres propriétés thermophysiques du matériau : =ù(e/(Se•AT) (1) avec : : conductivité thermique de l'échantillon (W m ' • K '), (D : flux d'énergie passant par l'échantillon (W), AT : différence de température entre les deux surfaces (K), e : épaisseur de l'échantillon (m), Se : section de l'échantillon (m2). La méthode de la plaque chaude gardée nécessite une chambre de mesure isolée, sous vide ; les températures chaudes et froides doivent être régulées finement. Cette méthode est donc onéreuse et délicate à mettre en place. De plus, l'appareil est difficile à nettoyer s'il est souillé par des résidus de matériaux (par exemple pour les matériaux alimentaires). Le document C. H. Lees and A. Schuster, On the thermal conductivities of single and mixed solids and liquids and their variation with temperature, Philosophical Transactions of the Royal Society, Series A, 191 :399ù440, 1898, décrit un dispositif de mesure de la conductivité thermique, appelé appareil de Lees. Il est proposé d'apporter une puissance de chauffage connue par l'intermédiaire d'une résistance électrique, et de mesurer la température des éléments conducteurs enserrant l'échantillon à tester. L'appareil, placé dans l'air, est ainsi refroidi par convection libre. Pour calculer la conductivité thermique du matériau, Lees suppose le coefficient de transfert convectif (h en W m2 K-1) uniforme sur toute la surface de l'appareil ce qui lui permet d'estimer le flux de chaleur (d)). L'appareil ayant des surfaces dans toutes les directions, cette hypothèse n'est pas vérifiée, ce qui induit une cause d'erreur importante. Le document EP 0 347 571 B1 décrit un dispositif de mesure de la conductivité thermique, dans lequel il est nécessaire de prévoir deux 10 puits de chaleur. Résumé de l'invention Un problème que la présente invention propose de résoudre est de fournir un procédé et un dispositif de mesure de propriétés thermophysiques des matériaux qui ne présentent pas au moins certains 15 des inconvénients précités. En particulier, la présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de mesure de la conductivité thermique qui offre une meilleure précision que l'appareil de Lees, et qui est plus facilement nettoyable, plus facile à réaliser et moins coûteux que la méthode de référence. 20 La solution proposée par l'invention est un procédé de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant les étapes consistant à : - agencer un échantillon du matériau entre un premier module et un deuxième module, 25 - générer de la chaleur au niveau dudit premier module, - mesurer, à l'équilibre thermique, les températures dudit premier module, dudit deuxième module et de l'ambiance, - déterminer la conductivité thermique du matériau en fonction de la puissance chauffante fournie, des températures mesurées et des 30 dimensions dudit échantillon, caractérisé par le fait que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le procédé comprenant l'étape consistant à : - générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble 35 formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. Selon un mode de réalisation, ledit ensemble est agencé dans un conduit, ledit écoulement étant généré dans ledit conduit. Avantageusement, ledit fluide est de l'air ou de l'eau. De préférence, les températures mesurées sont inférieures à 100°C. L'invention propose aussi un dispositif de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant un échantillon du matériau agencé entre un premier module et un deuxième module, et une source de chaleur apte à générer de la chaleur au niveau dudit premier module, caractérisé en ce que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le dispositif comprenant un générateur d'écoulement agencé de manière à générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un conduit, ledit ensemble étant agencé dans ledit conduit. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence au dessin annexé. Sur ce dessin : - la figure 1 est une vue en élévation d'un échantillon et de deux modules, utilisé dans un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente un ensemble 4 comprenant un premier module 1, un échantillon 3 et un deuxième module 2. L'échantillon 3 est réalisé avec le matériau dont on veut mesurer la conductivité thermique X. Il est en forme de parallélépipède, sans que cette forme soit limitative, et présente donc un plan de symétrie P. L'échantillon 3 présente une épaisseur e connue et une section Se. Les modules 1 et 2 sont de formes symétriques par rapport au plan P, et réalisés en matériau très conducteur de façon à avoir une température uniforme (respectivement Te et Tf). Dans l'exemple représenté, ils sont en forme de parallélépipèdes. En variante, ils pourraient être de forme quelconque (par exemple disques, ailettes de refroidissement,...) et constitués d'un nombre quelconque d'éléments. Les modules 1 et 2 présentent une face permettant un contact d'échange thermique avec l'échantillon, par exemple une face plane dans le mode de réalisation représenté. Une source de chaleur permet de chauffer le premier module 1. Par exemple, dans un mode de réalisation, une résistance (non représentée) est intégrée au premier module 1 ou sérigraphiée sur le premier module 1. Dans une variante, une autre résistance est également intégrée au deuxième module 2 ou sérigraphiée sur le deuxième module 2. Dans ce cas, les modules 1 et 2 sont strictement symétriques. Dans une autre variante, le deuxième module 2 ne comprend pas de résistance et la symétrie concerne uniquement la forme et la matière des modules 1 et 2. Un générateur d'écoulement, par exemple un ventilateur, est agencé de manière à pouvoir générer un écoulement de fluide autour de l'ensemble 4 formé par le premier module 1, l'échantillon 3 et le deuxième module 2. Dans une variante, un conduit (non représenté) canalise l'écoulement et l'ensemble 4 est agencé dans le conduit. Le fluide est par exemple de l'air ou de l'eau. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de déterminer la conductivité thermique 2. du matériau de l'échantillon 3 de la façon suivante. Le premier module 1 est chauffé avec une puissance connue (P en W). Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, il est chauffé par effet Joule grâce à sa résistance. Le générateur d'écoulement est actionné et, en raison de la symétrie de l'ensemble 4, l'écoulement autour de l'ensemble 4 est symétrique. Les coefficients de transfert d'énergie convectif (h) entre l'ensemble 4 et l'écoulement sont donc symétriques. Dans ces conditions, on peut estimer le flux de chaleur IV passant par l'échantillon 3, sans faire d'hypothèse sur l'uniformité du coefficient de transfert d'énergie convectif. A l'équilibre thermique, il n'y a pas d'accumulation d'énergie dans l'ensemble 4: toute la puissance fournie par la résistance chauffante est dissipée par convection et par rayonnement au niveau des deux modules 1 et 2. La mesure se fait à température suffisamment faible pour considérer le coefficient de transfert global entre l'air et les modules comme indépendant de la température. Par exemple, pour des températures inférieures à 100°C, cette approximation conduit à une erreur de moins de 0,1%. La géométrie et l'écoulement étant symétrique, on peut écrire P = + = Cth (Tc ù Ta) + Cth (Tf ù Ta) (2) avec : Cth : conductance thermique globale du module avec l'ambiance (W •K-i), Ta : Température de l'ambiance, (D, : flux évacué par le premier module 1, ~f : flux évacué par le deuxième module 2. La totalité du flux passant par l'échantillon étant évacuée au niveau du deuxième module 2, on peut écrire (d'après 1 et 2 ) ùùCth(TfùTa)=ùa, • Se• (TfùTc)/e (3) soit (d'après 2 et 3) = P (Tf ù Ta) e / [ Se (Te + Tf ù 2 Ta) (Tf ù Te) ] Etant donné la géométrie de l'ensemble 4, les mesures des températures à l'équilibre et des dimensions de l'échantillon 3 permettent donc une détermination directe de la conductivité thermique de l'échantillon 3. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant les étapes consistant à : - agencer un échantillon (3) du matériau entre un premier module (1) et 5 un deuxième module (2), - générer de la chaleur au niveau dudit premier module, - mesurer, à l'équilibre thermique, les températures dudit premier module, dudit deuxième module et de l'ambiance, - déterminer la conductivité thermique du matériau en fonction de la 10 puissance chauffante fournie, des températures mesurées et des dimensions dudit échantillon, caractérisé par le fait que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le procédé comprenant l'étape consistant à : 15 - générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble (4) formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit ensemble est agencé dans un conduit, ledit écoulement étant généré dans ledit 20 conduit. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel ledit fluide est de l'air ou de l'eau. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les températures mesurées sont inférieures à 100°C. 25 5. Dispositif de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant un échantillon (3) du matériau agencé entre un premier module (1) et un deuxième module (2), et une source de chaleur apte à générer de la chaleur au niveau dudit premier module, caractérisé en ce que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés 30 dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le dispositif comprenant un générateur d'écoulement de fluide agencé de manière à générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble (4) formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. 35 6. Dispositif selon la revendication 5, comprenant un conduit, ledit ensemble étant agencé dans ledit conduit.