Brevet FR2942037A1 — publié le 20100813

Dispositif de mesure de flux thermique et méthode de séparation des flux radiatif et convectif Domaine technique de l'invention La présente invention concerne les dispositifs de mesures de flux thermiques, couramment appelés fluxmètres thermiques. Arrière-plan technologique Les capteurs de flux thermique traditionnels, aussi appelés � fluxmètres thermiques � ou encore � heat flowmeters � ou � heat fluxmeters � en langue anglaise sont conçus pour la mesure des échanges par conduction thermique dans les milieux solides. La mesure d'un flux thermique se fait généralement en introduisant dans ledit flux un matériau de caractéristique connu créant entre les deux faces du matériau un gradient thermique proportionnel au flux thermique à mesurer. Lorsqu'il est collé sur une paroi, le fluxmètre thermique mesure un flux thermique total entre la face inférieure en contact avec la paroi et la face supérieure en contact avec le milieu environnant. Ce flux thermique total est la somme d'un flux radiatif et d'un flux convectif qui dans ce cas sont comptabilisés ensemble, le fluxmètre ne permettant pas de séparer ces contributions. On connait du document FR2847037 un dispositif de mesure d'un flux thermique non stationnaire radiatif et convectif engendré au sein d'un fluide gazeux. Cependant le dispositif en question est adapté pour un environnement extrême, c'est à dire pour un fluide gazeux fortement corrosif sous haute pression et haute température tel qu'un gaz issu de la combustion d'un propergol. Un tel dispositif est complexe et économiquement inadapté pour des mesures des flux radiatifs et convectifs échangés à la surface d'une paroi dans des milieux industriels où les températures et les pressions de fonctionnement sont nettement d'ordre inférieures. On connait aussi du document US7318671 un dispositif de mesure d'émissivité comportant un fluxmètre thermique dont une face inférieure est collée sur une paroi d'une source de chaleur et dont la face supérieure comprend une surface émissive dont l'émissivité est la propriété physique à déterminer. Cependant le dispositif est essentiellement dédié à la détermination de cette émissivité, et ne traite pas de la détermination des contributions des flux radiatifs et convectifs. Au contraire, le document préconise d'utiliser le dispositif dans un environnement à très basse pression de façon à annuler la transmission de chaleur par convection. Le document divulgue par ailleurs un agencement de quatre fluxmètres thermiques, cependant il s'agit ici rien de plus que de multiplier les mesures pour obtenir une meilleure représentativité statistique du calcul d'émissivité. La présente invention à pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un nouveau dispositif de mesure de flux thermique apte à permettre la détermination du flux radiatif et du flux convectif. 10 L'invention concerne donc un dispositif de mesure de flux thermique échangés entre une surface et un milieu extérieur comportant un premier fluxmètre ayant une première face inférieure et une première face supérieure sensiblement planes et sensiblement parallèles, un second fluxmètre ayant une seconde face inférieure et une seconde face supérieure sensiblement planes et sensiblement parallèles, la première et la seconde face 15 inférieure étant disposés sur la surface en contact thermique avec celle-ci, la première face supérieure étant couverte d'une première couche ayant une première émissivité, la seconde face supérieure étant couverte d'une seconde couche ayant une seconde émissivité différente de la première émissivité, caractérisé en ce le premier et le second fluxmètre sont sensiblement identiques, disposés sur la surface côte à côte de manière à 20 être sensiblement dans un même flux convectif et en ce que la seconde émissivité est différente de la première émissivité d'un écart supérieur à 0,1. Un tel dispositif a pour avantage supplémentaire d'être simple et économique. 25 Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le dispositif comprend un thermocouple pour déterminer une température de la surface. En effet, il importe de pouvoir déterminer la température de la surface et un thermocouple rapporté au dispositif de l'invention, donc plus compact, permet d'avoir une détermination 30 de la température de surface plus représentative car effectuée au même endroit que la mesure de flux. - l'écart entre la première émissivité et la seconde émissivité est supérieur à 0,4. En effet, plus l'écart entre la première émissivité et la seconde émissivité est importante, plus le dispositif de l'invention permettra une détermination précise des flux radiatif et convectif. 35 - le premier et le second fluxmètre sont disposés sur la surface avec un espacement inférieur à 3 cm. - le premier et le second fluxmètre ont une épaisseur inférieure à 2 mm.5 - le premier et le second fluxmètre présentent dans un plan parallèle à la surface une plus grande dimension inférieure à 2 cm. En effet, restant dans les gammes de dimensions de l'invention, on peut considérer comme valide l'hypothèse nécessaire d'un flux convectif vu par le premier et le second fluxmètre sensiblement identique. - le premier et le second fluxmètre sont maintenus en contact thermique avec la surface par une couche de colle thermo-conductrice. En effet, le maintien des fluxmètres sur la surface doit pouvoir se faire de manière fiable tout en ne constituant pas une barrière thermique telle qu'elle perturberait le résultat de la mesure de flux thermique par le dispositif de l'invention. - Le dispositif comprend un support intermédiaire adhésif et thermo-conducteur pour maintenir en contact thermique le premier et le second fluxmètre avec la surface. On obtient ainsi un dispositif de mesure de flux amovible et réutilisable. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet une méthode de détermination des flux thermiques radiatif et convectif échangés entre une surface et un milieu extérieur, la surface comportant un dispositif de mesure selon invention, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : - la détermination d'un premier flux thermique total traversant le premier fluxmètre, - la détermination d'un second flux thermique total traversant le second fluxmètre, - la détermination d'un flux convectif échangé entre la surface et le milieu extérieur à partir du premier et du second flux thermique total, - la détermination d'une température de la surface, - la détermination d'une température moyenne radiative à partir de la température de la surface, du flux convectif, du premier flux thermique total et de la première émissivité, - la détermination d'une émissivité de la surface, - la détermination d'un flux radiatif échangé entre la surface et le milieu extérieur à partir de la température moyenne radiative, de l'émissivité de la surface et le la température de surface. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique du dispositif de mesure des flux thermique radiatifs et convectifs selon l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'un fluxmètre à gradient normal. - La figure 3 est une illustration graphique de la détermination du flux convectif à partir des flux thermiques totaux mesurés par les deux capteurs de flux thermique. Description détaillée La figure 1 présente un premier mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référence S désigne une surface source de chaleur, telle que la paroi d'un organe chauffant, et la référence E un milieu extérieur tel que de l'air. Du fait d'un écart de température entre la surface S et le milieu extérieur, la surface S transfert de la chaleur. Ce transfert de chaleur s'effectue sous forme de rayonnement et de convection. L'intensité de ces transferts est caractérisée par un flux radiatif cpr et un flux convectif cl), dont la somme correspond au flux thermique global cpg échangé entre la surface S et le milieu extérieur E. On a ainsi : Pg ù(Pc+(Pr (1) La surface S est par ailleurs caractérisée par une émissivité Es dont dépend proportionnellement le flux radiatif (pr. Pour les besoins de la description nous prenons le cas d'une surface S qui émet de la 25 chaleur vers un milieu extérieur E plus froid, cependant le dispositif de l'invention est tout aussi apte à déterminer les flux radiatif cpr et convectif cl), dans le cas où la surface S, plus froide que le milieu extérieur E, absorbe de la chaleur. Le dispositif de mesure des flux thermiques radiatifs et convectifs selon l'invention 30 comprend un premier capteur de flux thermique ou fluxmètre 1 et un second capteur de flux thermique ou fluxmètre 2. Le premier et le second fluxmètre 1, 2 sont disposés sur la surface S en contact thermique, c'est-à-dire tel que le transfert thermique entre les fluxmètres 1, 2 et la surface S soit le moins perturbé possible. 35 Le premier fluxmètre 1 comprend une première face inférieure 3 et une première face supérieure 4. La première face inférieure 3 et la première face supérieure 4 sont20 sensiblement planes et parallèles. La première face supérieure 4 est couverte d'une première couche 14 ayant une première émissivité E1. Le second fluxmètre 2 comprend une seconde face inférieure 5 et une seconde face supérieure 6. La seconde face inférieure 5 et la seconde face supérieure 6 sont sensiblement planes et parallèles. La seconde face supérieure 6 est couverte d'une seconde couche 15 ayant une seconde émissivité différente de la première émissivité E1. Conformément à l'invention, la seconde émissivité E2 est différente de la première émissivité El d'un écart supérieur à 0,1. Cette écart d'émissivité nous permet ici de déterminer les contributions distinctes des flux radiatif cpr et convectif cl), échangés entre la surface S et le milieu extérieur E, toutefois plus l'écart d'émissivité entre les deux fluxmètres 1, 2 est important, plus la méthode de mesure est précise. Ainsi de préférence, l'écart entre les émissivités El et E2 des deux fluxmètres 1 et 2 est supérieur à 0,4. En pratique, la première et la seconde couche 14, 15 peuvent être obtenues un revêtement spécifique tel qu'une peinture, un film d'un matériau déposé par CVD, etc ..., dont les émissivités E1, E2 sont connues. A titre d'exemple réaliste, la première face supérieure 4 peut être revêtue d'une première couche 14 de peinture noire qui lui confèrera une première émissivité El de 0,9 tandis que la seconde face supérieure 6 peut être revêtue d'une seconde couche 15 d'une peinture à base d'aluminium qui lui confèrera une seconde émissivité E2 de 0,5. L'écart obtenu entre les deux émissivités El et E2 est donc ici de 0,4. A titre d'information, le tableau suivant présente l'émissivité de quelques matériaux pouvant faire office de revêtement : Matériau Emissivité Aluminium poli 0,05 Chrome poli 0,1 Laque noire mate 0,97 Peinture finition argent 0,31 Email 0,9 Ainsi par exemple l'écart d'émissivité entre un revêtement de laque noire mate et d'aluminium poli est de 0,92. Le premier et le second fluxmètre 1, 2 ont de préférence une épaisseur ep sensiblement identique. De plus, l'épaisseur ep est de préférence inférieure à 2 mm. En effet, l'épaisseur ep des deux fluxmètres 1,2 doit être suffisamment faible pour pouvoir considérer valable l'hypothèse d'un flux convectif cl), reçu par les deux fluxmètres 1, 2 identique. Dans ce premier mode de réalisation, les deux fluxmètres 1, 2 sont des fluxmètres à gradient normal c'est-à-dire des fluxmètres dont le flux thermique qu'ils absorbent les traverse perpendiculairement à leur face supérieure 4, 6, autrement dit ce sont des fluxmètres qui mesurent un flux thermique global à partir d'un gradient de températures généré le long de leur épaisseur ep. La figure 2 est une section transversale du premier capteur fluxmètre 1 selon un plan orthogonal à la face supérieure 4. Le premier fluxmètre 1 comprend une couche d'un matériau qui fait office de barrière thermique, dont la résistance thermique est connue, et d'un ensemble de capteurs de température destiné à mesurer précisément un gradient de température au sein du fluxmètre. Le premier fluxmètre 1 est formé d'une couche de plastique 9 tel que du kapton, un polyimide développé par Dupont et utilisé dans la réalisation de fluxmètre thermiques, qui peut rester stable dans une plage de température s'étendant jusqu'à 400°C et comprend une pluralité de thermocouples 10 assemblés en série au sein de la couche plastique 9 pour la mesure du gradient de température s'étendant au sein du fluxmètre 1 entre la surface S et le milieu extérieur E. Les thermocouples peuvent être de type K (chromelalumel) ou être choisi d'un autre type en fonction des gammes de température à mesurer. Le fluxmètre 1 comprend un moyen de mesure de température tel qu'un thermocouple 12 disposé du coté de la première face inférieure 3 pour mesurer également une température Ts de surface S. La sortie en tension des thermocouples 10 pour la mesure du gradient de température et du thermocouple 12 pour la mesure de la température Ts de surface S se fait par la connexion électrique 8 (figure 1). Le fluxmètre 1 est maintenu en place sur la surface S par une couche de colle 11. Il faut utiliser une colle thermo-conductrice pour assurer un bon contact thermique et bien veiller à ce que d'une part, la couche de colle 11 qui permet la fixation du premier fluxmètre 1 à la surface S soit la plus fine possible et d'autre part, à éviter les bulles d'air afin de minimiser la résistance thermique supplémentaire que constitue cette couche de colle 11 entre la surface S et le premier fluxmètre 1. Ainsi, on permet une mesure de la température Ts de la surface S par le thermocouple 12 disposé du coté de la première face inférieure 3 plus représentative. Pour une gamme de température de surface S, Ts de l'ordre de 100°C, une colle de type Araldite AV 138M avec durcisseur HV 998, de conductivité thermique de 0,34 W/m.K ou encore Loctite� Hysol� 9450 A&B de conductivité thermique de 1,7 W/m.K convient. Pour une gamme de température supérieure le moyen de collage est à adapter par le choix d'une colle dont la tenue en température convient. Concernant le second fluxmètre 2, les remarques des deux précédents paragraphes sont toutes aussi valables, hormis le fait que la présence d'un moyen de mesure de la température Ts de la surface S ne s'impose pas, celui-ci étant déjà présent dans le premier fluxmètre 1. Le premier et le second fluxmètrel, 2 présentés sur la figure 1 sont ici de forme rectangulaire. Une autre forme de fluxmètre peut cependant convenir (circulaire, carrée, elliptique,...). Le premier et le second fluxmètre 1, 2 présentent par ailleurs, dans un plan parallèle à la surface S une plus grande dimension 7. On entend par plus grande dimension 7, la plus grande distance séparant deux points d'une figure géométrique, par exemple la diagonale d'un polygone, le diamètre d'un cercle ou encore le plus grand axe d'une ellipse. De préférence, la plus grande dimension 7 est inférieure à 2 cm. En effet, la dimension des fluxmètres 1, 2 doit être suffisamment faible pour pouvoir considérer valables les hypothèses autorisant la mesure séparée des flux thermiques radiatif et convectif : même température Ts de surface S, même flux convectif cl), reçu par les deux fluxmètres 1, 2. Il est essentiel que, hormis la première et la seconde couche 14, 15 et leur émissivité correspondantes El, E2, le premier fluxmètre 1 et le deuxième fluxmètre 2 soient sensiblement identiques, c'est-à-dire, entre autres, avoir la même forme et dimension géométriques, la même épaisseur ep de couche plastique 9, un même nombre de thermocouple 10 pour la mesure du gradient de température, un collage similaire... de façon à ce que même en présence de légères perturbations aérodynamiques, qu'on ait toujours le même flux convectif cl), vu par les deux fluxmètres 1, 2. Un autre paramètre important est l'espacement entre le premier et le second fluxmètre 1, 2. Une fois collés, sur la surface S, le premier et le second fluxmètre 1, 2 sont disposés côte à côte avec un espacement 13. Par côte à côte, on entend proche l'un de l'autre, sans forcément être en contact. De préférence, l'espacement 13 est inférieur à 3 cm pour pouvoir considérer valable l'hypothèse d'un flux convectif cl), reçu par les deux fluxmètres 1, 2 identique. Afin de pouvoir déterminer grâce au dispositif de l'invention les contributions des flux radiatifs et convectifs échangés, le principe de la méthode de séparation des flux est alors le suivant : Pour le premier fluxmètre 1, l'expression du premier flux thermique total (pi le traversant est : cp, = cpc + E,6(Ts ûTr4 ) (2) Avec : El : émissivité de la première couche 14. G : constante de Stephan-Boltzmann. Ts : température de la surface S. Tr : température radiative moyenne. cp~ : flux convectif. De la même manière, pour le second fluxmètre 2, l'expression du flux thermique total cp2le traversant est : cp2 = cf), + E26(Ts û Tr4) (3) Avec : E2 : émissivité de la seconde couche 15. Dans les expressions (2) et (3), Ts est la température de la surface S est donc connue. En revanche, la température radiative moyenne Tr est, à ce stade de la démonstration, inconnue.35 On suppose que les deux fluxmètres 1, 2, reçoivent le même flux convectif cp~ , et que la température Ts de la surface S est sensiblement équivalente, ce qui est une hypothèse raisonnable si les dimensions desdits fluxmètres et leur espacement 13 sont dans les ordres de grandeur spécifiés dans ce document. A l'inverse, du fait des différences d'émissivité El et E2, les flux radiatifs sont différents entre les deux fluxmètres. On a ainsi pour le premier fluxmètre 1 : cpr1 = E16(Ts û (4) Et pour le second fluxmètre 2 : cpr2 = E26(Ts û Tr4~ (5) 15 Dans sa formulation générale, le flux thermique total cp s'écrivant comme une fonction affine de l'émissivité E, c'est-à-dire une fonction cp du type cp = b+a.E, on peut alors, à partir des deux mesures (pi et cp2 exprimer cette fonction f et déterminer la valeur de f(E=0) qui est égale au flux convectif cl), (figure 3). 20 Une fois le flux convectif cl), déterminé, on détermine ensuite la température radiative moyenne Tr à partir, indifféremment, de la mesure du premier flux total (pi ou du second flux total cp2 traversant un des deux fluxmètres 1, 2. On a ainsi, par exemple, à partir du premier flux total (pi 25 ((P1 û cPc E16 Ce qui nous permet d'en déduire aisément la température radiative moyenne Tr. L'étape suivante comprend, connaissant l'émissivité Es de la surface S, à partir par 30 exemple d'une mesure préalable par caméra infrarouge ou d'une table d'émissivité des matériaux, la détermination du flux radiatif cpr : cpr = Es - 6(T: û Tr4) (7) 10 (6) Finalement, on peut déduire de la relation (1) le flux thermique global cpg émis ou absorbé par la surface S. On a ainsi un dispositif de mesure de flux thermique et une méthode associée autorisant la détermination des contributions radiative et convective du flux global échangé entre une surface et un milieu extérieur. L'invention à pour avantage supplémentaire d'être simple, économique, peu encombrante et pouvant être facilement mise en place sur la surface dont le flux thermique est à connaitre. Un dispositif de mesure de flux thermique tel que décrit dans ce mode de réalisation peut aisément être utilisé dans des environnements dont la température peut avoisiner la centaine de degrés, comme par exemple un environnement sous-capot moteurs de véhicule automobile ou tout autre application industrielle où il existe une compétition entre radiatif et convectif et où la question se pose de savoir si ce qui chauffe est plutôt du rayonnement ou plutôt de la convection. De plus, l'invention ne se limite pas des fluxmètres 1, 2 à gradient normal. Dans une variante non représentée, les deux fluxmètres 1, 2 sont des fluxmètres à gradient tangentiel c'est-à-dire dont le flux thermique qu'ils absorbent les traverse tangentiellement, le long du plan de leur face supérieure 4, 6, autrement qui détermine le flux thermique total à partir d'un gradient de températures généré le long de sa face supérieure. Dans une autre variante, le moyen de mesure de la température Ts de la surface S peut ne pas être intégré à l'un au moins des deux fluxmètres 1, 2. En effet le moyen de mesure de la température Ts de la surface S peut être un moyen de mesure de température tel qu'un thermocouple distinct des fluxmètres 1, 2 ou encore être une modélisation numérique. Selon une autre variante, le dispositif de l'invention comprend un support intermédiaire thermo-conducteur tel qu'une feuille mince métallique et adhésif pour maintenir en contact thermique le premier et le second fluxmètre 1, 2 sur la surface S. Ce support intermédiaire remplace ainsi la couche de colle présentée dans le mode de réalisation illustré en figure 2 et on obtient ainsi un patch que l'on colle sur la surface dont on veut connaitre les flux thermique radiatifs et convectifs et que l'on peut ensuite retirer, une fois la mesure effectuée. On a ainsi un dispositif de mesure amovible et réutilisable. Revendications1. Dispositif de mesure de flux thermique échangés entre une surface (S) et un milieu extérieur (E) comportant un premier fluxmètre (1) ayant une première face inférieure (3) et une première face supérieure (4) sensiblement planes et sensiblement parallèles, un second fluxmètre (2) ayant une seconde face inférieure (5) et une seconde face supérieure (6) sensiblement planes et sensiblement parallèles, la première et la seconde face inférieure (3, 5) étant disposés sur la surface (S) en contact thermique avec celle-ci, la première face supérieure (4) étant couverte d'une première couche (14) ayant une première émissivité (El), la seconde face supérieure (6) étant couverte d'une seconde couche (15) ayant une seconde émissivité (E2) différente de la première émissivité (El), caractérisé en ce le premier et le second fluxmètre (1, 2) sont sensiblement identiques, disposés sur la surface (S) côte à côte de manière à être sensiblement dans un même flux convectif ((pc) et en ce que la seconde émissivité (E2) est différente de la première émissivité (El) d'un écart supérieur à 0,1. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un thermocouple (12) pour déterminer une température (Ts) de la surface (S). 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'écart entre la première émissivité (El) et la seconde émissivité (E2) est supérieur à 0,4. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier et le second fluxmètre (1,2) sont disposés sur la surface (S) avec un espacement (13) inférieur à 3 cm. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce le premier et le second fluxmètre (1, 2) ont une épaisseur (ep) inférieure à 2 mm. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier et le second fluxmètre (1, 2) présentent dans un plan parallèle à la surface (S) une plus grande dimension (7) inférieure à 2 cm. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier et le second fluxmètre (1, 2) sont maintenus en contact thermique avec la surface (S) par une couche de colle (11) thermo-conductrice. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un support intermédiaire adhésif et thermo-conducteur pour maintenir en contact thermique le premier et le second fluxmètre (1, 2) avec la surface (S). 9. Méthode de détermination des flux thermiques radiatif et convectif échangés entre une surface (S) et un milieu extérieur (E), la surface (S) comportant un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : - la détermination d'un premier flux thermique total ((pi) traversant le premier fluxmètre (1), - la détermination d'un second flux thermique total ((P2) traversant le second fluxmètre (2), - la détermination d'un flux convectif ((pc) échangé entre la surface (S) et le milieu extérieur (E) à partir du premier et du second flux thermique total ((p1, (p2), - la détermination d'une température (Ts) de la surface (S), - la détermination d'une température moyenne radiative (Tr) à partir de la température (Ts) de la surface (S), du flux convectif ((pc), du premier flux thermique total ((pi) et de la première émissivité (El), - la détermination d'une émissivité (Es) de la surface (S), - la détermination d'un flux radiatif ((pr) échangé entre la surface (S) et le milieu extérieur (E) à partir de la température moyenne radiative (Tr), de l'émissivité (Es) de la surface (S) et le la température (Ts) de surface (S).