Brevet FR2965797A1 — publié le 20120413

-1- L'invention concerne les aéronefs. Que ce soit en cas de panne ou en fonctionnement normal, un certain nombre de systèmes embarqués à bord des avions constituent des sources significatives de chaleur. C'est le cas par exemple des machines de conditionnement d'air, des lignes de bleed (où ont lieu des transferts thermiques entre des flux d'air froid externe et des flux d'air chaud des moteurs pour la régulation de la température en cabine), des cceurs électriques, des convertisseurs de courant et de tension électriques, des actionneurs électrohydrauliques, des pompes, etc. Ces systèmes sont exposés à des risques de surchauffe, surchauffe qui peut avoir des conséquences néfastes sur eux et notamment diminuer la durée de vie des pièces mécaniques, des cartes électroniques, des composants électroniques et des structures soumis ainsi à des cycles et à de la fatigue. D'autres systèmes embarqués ne sont pas en eux-même des sources de chaleur excessives mais peuvent recevoir de la chaleur de leur environnement, avec les mêmes conséquences. Les principaux effets induits de ces niveaux thermiques sur les systèmes concernés sont la diminution de leur fiabilité et l'augmentation des tâches de maintenance préventive ou corrective. En outre, tous ces systèmes sont aussi soumis à des environnements vibratoires et acoustiques sévères en fréquence ou en amplitude lors des phases de décollage, de croisière ou d'atterrissage, qui augmentent leur vulnérabilité générée par la chaleur excessive. Pour y faire face, les solutions actuellement mises en ceuvre sont essentiellement basées sur les principes suivants : - Le choix de l'emplacement des systèmes sources de chaleur dans des zones où l'environnement thermique reste acceptable (telles que les zones froides de l'avion). Mais ces contraintes d'installation sont parfois difficilement conciliables avec d'autres contraintes et elles limitent les possibilités d'optimisation de la conception de l'avion et de ses systèmes. - Le choix de composants et de techniques d'assemblage qui sont tolérants à ces niveaux thermiques. Mais les différents surdimensionnements alors requis (marges de fonctionnement, composants de haute fiabilité, redondances, surveillances, etc.) empêchent l'optimisation des systèmes et plus globalement celle de l'avion. - L'ajout d'équipements de refroidissement (tels que ventilateurs, boucles de fluides, ...) aux systèmes présentant des risques de surchauffe, que ce soit en fonctionnement nominal ou en cas de panne afin de contrôler activement leur température. Mais ces équipements supplémentaires consomment de l'énergie 2965797 -2- électrique à bord de l'avion. De plus, ils ont une défiabilité dont il faut tenir compte dans le bilan global de fiabilité de l'avion. Enfin, ils sont contraignants en termes d'installation, génèrent du bruit et augmentent le bilan masse des systèmes de l'avion, causant ainsi une surconsommation de carburant. 5 - Une maintenance adaptée mais induisant des surcoûts en exploitation. Un but de l'invention est de limiter les risques de surchauffe des systèmes de manière passive, simple, peu sensible aux variations de pression et aux niveaux vibratoires et acoustiques, et conduisant à améliorer les performances, la durée de vie et la maintenance associée à ces systèmes. 10 A cet effet, on prévoit selon l'invention un ensemble pour aéronef, qui comprend : - au moins un dispositif, - une pièce telle qu'un support du dispositif, et - au moins un élément de liaison comprenant des nanotubes de carbone et par 15 l'intermédiaire duquel le dispositif est en contact avec la pièce. En effet, les nanotubes de carbone, éventuellement sous la forme de nanotubes de carbone hybrides, apportent une solution particulièrement efficace et performante pour les systèmes embarqués à bord des aéronefs. Les nanotechnologies sont les techniques de conception et de fabrication 20 des objets de taille inférieure à quelques centaines de nanomètres (10-9 m), ainsi que les applications qui en résultent. Quelques ordres de grandeur des différentes échelles sont donnés à titre de comparaison : Échelle (ordre de grandeur) Exemples (biologie) 0,1 nanomètre Atome 1 nanomètre Molécule 10 nanomètres Protéine 100 nanomètres ADN 1 micromètre Cellule 10 à 100 micromètres Cheveux En fonction de la taille des matériaux, les propriétés de ceux-ci peuvent être fort différentes : ainsi, à l'échelle du nanomètre, certaines propriétés 25 apparaissent, d'autres disparaissent, certaines sont très largement améliorées, tandis que d'autres sont perturbées ou atténuées. Notamment, les caractéristiques des matériaux sont modifiées sous l'effet d'un accroissement très important des surfaces spécifiques et des interfaces, d'une amplification des 2965797 -3- interactions entre les matériaux, d'un effet de confinement et d'une importante anisotropie. La conduction thermique est un cas particulier de transfert de chaleur pour lequel la non-uniformité de la température entraîne un transfert d'énergie d'un 5 point à un autre d'un système sans qu'il y ait de transport macroscopique de matière. Les phénomènes de conduction thermique sont liés à la conductivité thermique des matériaux et des fluides. Cette grandeur physique représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de température de 1 degré par mètre. Le coefficient de 10 conduction thermique 2 s'exprime en W-m-1 -K-1. Il peut varier très fortement suivant le type de matériaux considéré. Il peut aller de quelques centièmes de W.m-1.K-1 (cas de la laine de roche et de la mousse de polyuréthane) à quelques centaines de W.m-1.K-1 (cas du carbone et de métaux tels que le cuivre). Ce coefficient de conduction thermique intervient dans la loi de Fourier qui permet de 15 calculer le flux de chaleur JQ (exprimé en W.m-2) qui traverse un matériau par conduction thermique. Ainsi, le vecteur de densité de flux de chaleur est égal à : IQ - g ar d T pour un milieu isotrope, où T est la température. La puissance thermique Pc (exprimée en W) transférée par conduction 20 thermique est déterminée par sommation du vecteur de densité de flux de chaleur sur toute la surface d'échange effective A (exprimée en m2) du volume : Pc = la . V T . n dA avec n désignant le vecteur normal à la surface A. D'après le théorème d'Ostrogradsky (ou formule de la divergence) pour transformer la sommation sur la surface (A) en une sommation sur le volume (V), 25 on obtient : Pc = Jv . 02 T dV (si est constant) avec le laplacien de la température : 02 T = a2T / ax2 + a2T / ay2 + a2T / az2. Au niveau atomique, la conductivité thermique est liée aux mouvements des porteurs de charges (électrons ou trous) c'est-à-dire liée à la conductivité 30 électrique du matériau par la relation de Wiedemann-Franz et à l'oscillation des atomes autour de leur position d'équilibre. En effet, dans un solide, les vibrations des atomes ne sont pas aléatoires et indépendantes les unes des autres, mais correspondent à des modes propres de vibration appelés « phonons » qui sont des quanta de vibration dans le solide et qui sont associés à des ondes pouvant 35 se propager dans le matériau lorsque sa structure est organisée. La conductivité 2965797 -4- thermique dépend ainsi du libre parcours moyen des phonons qui est déterminé principalement par les phénomènes de diffusion géométrique et de diffusion par d'autres phonons. Pour le carbone, parmi les propriétés affectées par le changement de taille 5 lors du passage à l'échelle nanométrique figurent les propriétés de conduction thermique, liées essentiellement à l'anisotropie de certaines formes allotropiques du carbone telles que les nanotubes de carbone. Le carbone est particulièrement intéressant d'un point de vue thermique car il possède la propriété de former, soit avec lui-même, soit avec certains autres 10 éléments, des liaisons d'hybridation qui peuvent être de 3 types (sp, sp2 ou spi) suivant les orbitales des atomes et de leurs cortèges d'électrons. Ainsi le carbone peut se présenter sous différentes formes allotropiques, à savoir amorphes ( par exemple coke, suie), cristallines (par exemple le graphite et le diamant), les formes de fullerènes, de nanotubes de carbone, etc. 15 Le graphite est formé de couches d'atomes de carbone organisés en réseau hexagonal. Ces structures sont empilées successivement en plans distants d'environ 3,3 Â et forment un feuillet en deux dimensions (le graphène). Les forces de Van der Waals assurent une cohésion faible entre ces différents plans. Du fait de sa forte anisotropie, la conductivité thermique du graphite est 20 relativement élevée (de l'ordre de 100-200 W.m-1.K-1 suivant qu'elle concerne respectivement la direction perpendiculaire ou parallèle au plan des atomes de carbone). Dans cette organisation en feuillets, les atomes sont liés entre eux par deux types de liaisons faibles : liaison de type hybridé sp2 (Le constitué d'une orbitale 2s avec les orbitales 2pX et 2py) et type covalente (Le orbitales 2pz). 25 Le diamant est composé d'atomes de carbone hybridés avec quatre orbitales de type spi résultant de la superposition linéaire d'une orbitale 2s avec chacune des trois orbitales 2p (i.e. les orbitales 2pX, 2py et 2pz). D'un point de vue thermique, le diamant est un très bon conducteur avec une valeur de conductivité de l'ordre de 2200 W.m-1.K-1. 30 Les fullerènes comprennent par exemple les structures en cage de type Cho. La structure des nanotubes de carbone repose sur un enroulement d'une feuille de graphène sur elle-même autour d'un axe. Les nanotubes sont classés en deux grandes familles: - les nanotubes monofeuillets présentent un enroulement d'un seul plan de 35 graphène et ont un diamètre de l'ordre de 0,5 à 2 nanomètres et des longueurs pouvant aller jusqu'au micromètre, voire des longueurs millimétriques. Les calculs -5- par simulation de dynamique moléculaire montrent que la conductivité thermique de ces nanotubes monofeuillets est de l'ordre de 6000 W.m-1.K-1, soit une valeur très supérieure à celle du diamant (Le multipliée par un facteur de 3 environ). - les nanotubes multifeuillets sont formés de plusieurs tubes concentriques et possèdent des diamètres compris entre le nanomètre et plusieurs dizaines de nanomètres et des longueurs allant jusqu'à une centaine de micromètres, voire même des longueurs millimétriques. La conductivité thermique mesurée sur des nanotubes multifeuillets est de l'ordre de 3000 W.m-1.K-1 à température ambiante. Le nanotube est caractérisé par son hélicité qui est fonction des conditions d'enroulement de la feuille de graphène. La valeur du vecteur chiral et le diamètre déterminent la géométrie des nanotubes de carbone. Compte tenu du facteur "longueur/diamètre" qui est très élevé dans le cas des nanotubes de carbone (leur surface spécifique étant importante), leurs propriétés électriques, thermiques et mécaniques sont exceptionnelles. Ainsi, la conductivité thermique des nanotubes de carbone suivant l'axe du tube est très élevée même en comparaison avec le diamant, déjà connu pour être exceptionnel. En effet, dans les nanotubes de carbone, les phénomènes de diffusion sont limités du fait de leur rigidité créée par les liaisons sp2 et de la nature quasi-unidimensionnelle de la structure du tube. Les propriétés d'anisotropie des nanotubes de carbone sont donc déterminantes dans leurs performances de conduction thermique. Dans le cadre de l'invention, on utilise des nanotubes de carbone en association à des systèmes installés sur l'aéronef. Ces systèmes sont par exemple des sources significatives de chaleur, contraignantes en terme de performance, de durée de vie et de maintenance. Il peut aussi s'agir de systèmes particulièrement sensibles à la chaleur et qui reçoivent de la chaleur de leur environnement. Ces nanotubes de carbone sont des éléments passifs installés à l'interface entre les systèmes et leurs supports ou la structure. L'élément de liaison permet de transférer tout ou partie de la chaleur du dispositif vers la pièce et donc de l'évacuer. Les nanotubes permettent l'évacuation de la chaleur grâce à leurs exceptionnelles performances de conduction thermique. Les principaux bénéfices et avantages de l'invention résident dans la limitation passive des risques de surchauffe des systèmes, qu'ils soient électriques, électroniques, fluidiques ou mécaniques. Les avantages induits sont les suivants : 2965797 -6- - diminution des contraintes d'installation des systèmes et meilleure optimisation de leur installation à bord de l'aéronef, - capacité à utiliser des composants techniques d'assemblage moins exigeants en termes de tolérance aux niveaux thermiques. Il s'ensuit une diminution des 5 coûts et une meilleure gestion de l'obsolescence des composants. - diminution des tâches de maintenance et donc des coûts opérationnels. Lorsque la pièce est un support du dispositif, il est particulièrement commode d'évacuer la chaleur via ce support. Avantageusement, le ou chaque élément de liaison comprend une matrice 10 recevant les nanotubes On facilite ainsi l'intégration des nanotubes dans l'ensemble de l'invention. On peut prévoir que la matrice est en polymère. On peut aussi prévoir que le ou chaque élément de liaison comprend de l'alumine, par exemple sous la forme d'une matrice ou de microparticules. 15 Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un circuit électronique comportant un substrat, ce dernier portant des composants électroniques et étant en contact avec la pièce par l'intermédiaire du ou de chaque élément de liaison. Ainsi, si le circuit électronique ou l'un de ses composants s'échauffe, la chaleur du substrat est directement évacuée par le ou les éléments de liaison. 20 Dans un autre mode de réalisation, la pièce étant une première pièce, le dispositif comprend au moins deux organes et une deuxième pièce reliée aux organes indépendamment l'un de l'autre et en contact avec la première pièce par l'intermédiaire du ou de chaque élément de liaison. On peut ainsi évacuer au moyen des mêmes éléments de liaison la chaleur 25 produite par plusieurs organes. Dans un mode de réalisation, au moins certains des nanotubes sont de type monofeuillet. Dans un autre, au moins certains des nanotubes sont de type multifeuillet. On peut prévoir que le dispositif est électrique, électronique, fluidique et/ou 30 mécanique. On prévoit enfin selon l'invention un aéronef qui comprend un ensemble selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre 35 d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un avion selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle d'un nanotube utilisé dans le cadre de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un élément de liaison mis en ceuvre dans les modes de réalisation des figures suivantes ; et - les figures 4 à 6 sont trois vues en perspective illustrant respectivement trois ensembles selon l'invention, embarqués à bord de l'avion de la figure 1. On a illustré à la figure 1 un aéronef selon l'invention. Il s'agit dans le présent exemple d'un aérodyne et en l'espèce d'un avion 2 comprenant un fuselage 4 et deux ailes 6. Il comprend un empennage 8 et des réacteurs 10 fixés aux ailes respectives. Il s'agit d'un avion apte au transport commercial de marchandises et/ou d'un ou plusieurs passagers. L'avion est apte ici à effectuer un vol long-courrier en emportant au moins 50 passagers, voire au moins 100 ou 200 passagers ou du fret. Il comprend à l'avant du fuselage 4 un poste de pilotage 12 destiné à être occupé par au moins une personne assurant la fonction de pilote. L'avion 2 comprend de nombreux systèmes embarqués et formant des équipements nécessaires à son fonctionnement. L'un de ces systèmes est formé par le dispositif 12 illustré à la figure 4. Le dispositif 12 a ici une forme générale de parallélépipède rectangle, cet exemple de forme n'étant pas toutefois limitatif dans la mesure où de nombreuses autres formes sont envisageables pour le dispositif 12. A ce dispositif est associée une pièce externe 14 qui forme en l'espèce un support du dispositif. Le dispositif 12 est rigidement fixé au support 14. C'est par l'intermédiaire de ce dernier que le dispositif 12 est relié mécaniquement au reste de l'avion. L'ensemble formé par le dispositif 12 et le support 14 comprend en outre plusieurs éléments de liaison mécanique 16 interposés entre le dispositif et son support. C'est par l'intermédiaire de ces éléments que le dispositif est en contact avec le support 14 et qu'il est rigidement fixé à ce dernier. Les éléments 16 sont en l'espèce au nombre de quatre. Les éléments 16 sont disposés aux quatre coins de la face du dispositif 12 qui s'étend en regard du support 14 en étant distants les uns des autres. Le dispositif s'étend à distance du support de sorte qu'une circulation d'air est possible entre ceux-ci. Nous allons maintenant présenter la structure de chaque élément 16. L'élément 16 comprend des nanotubes de carbone tels que le nanotube 18 dont un tronçon a été illustré à la figure 2. Chaque nanotube a une forme générale cylindrique à section circulaire dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 19 du cylindre. Les tubes sont globalement rectilignes. L'élément 16 comprend une matrice 20 dans laquelle sont reçus et noyés les nanotubes 18. La matrice 2965797 -8- peut être en polymère, en l'espèce une résine thermodurcissable de type epoxy ou polyuréthane par exemple. Les nanotubes sont disposés parallèlement les uns aux autres et de sorte que leur axe 19 est parallèle à la direction allant du dispositif 12 au support 14 et perpendiculaire localement aux faces du dispositif et 5 du support s'étendant en regard l'une de l'autre. On suppose ici que le dispositif subit ou génère un échauffement tel que sa température dépasserait celle du support en l'absence des éléments de liaison. Grâce à cet agencement, les éléments 16, et en particulier les nanotubes 18, assurent la dissipation de la chaleur en transférant une partie au moins de la 10 chaleur du dispositif au support par conduction. Cette dissipation est permise par leur conductivité thermique élevée. Dans l'exemple de la figure 4, c'est un seul dispositif 12 qui est associé en propre aux éléments de liaison 16 pour l'évacuation de la chaleur vers le support. La matrice 20 assure l'enrobage des nanotubes de carbone ainsi que le 15 contact entre les nanotubes d'une part et le dispositif 12 et le support 14 d'autre part. En remplacement de la matrice en polymère, on peut prévoir une matrice en alumine (AI2O3). On peut encore prévoir que les nanotubes de carbone sont associés à des microparticules d'alumine. Les éléments de liaison peuvent donc comprendre des nanocomposites comportant des nanotubes de carbone et de 20 tels renforts hybrides ou formant des nanotubes de carbone hybrides. Il est préférable que certains au moins des nanotubes aient au moins une extrémité en contact direct avec le dispositif 12 ou le support 14, même si cela est difficile à réaliser pour tous les nanotubes. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on retrouve le support 14. Cette 25 fois, on compte plusieurs organes 12 par exemple au nombre de deux, indépendants fonctionnellement les uns des autres. Les organes sont fixés indépendamment l'un de l'autre à un même support intermédiaire 22 qui a ici une forme générale plate rectangulaire en plan. Les organes 12 sont fixés à une face supérieure de ce support. Le support intermédiaire 22 est fixé au support 30 principal 14 par l'intermédiaire de plusieurs éléments de liaison 16 identiques à ceux du premier mode. La chaleur dégagée par chacun des organes 12 est transmise au support intermédiaire 22 et évacuée par conduction via les éléments 16 vers le support 14. Le mode de réalisation de la figure 6 est proche de celui de la figure 4. Le 35 dispositif 12 est formé en l'espèce par une carte électronique comprenant un substrat 24 sur une face supérieure duquel sont fixés des composants électroniques 26. Certains d'entre eux au moins dégagent de la chaleur lorsqu'ils 2965797 -9- fonctionnent. La carte est fixée au support 14 par l'intermédiaire d'éléments de liaison 16 qui sont en l'espèce au nombre de neuf. En effet, ces supports s'étendent non seulement au niveau des quatre coins du rectangle formé par la carte mais également au centre des quatre bords de ce rectangle. 5 L'invention permet d'effectuer un contrôle passif de l'environnement thermique du dispositif 12 au moyen des éléments de liaison 16. Les dispositifs en question pourront se situer, par exemple, dans les zones suivantes : - les zones contiguës aux moteurs 10 ; - la zone de mât assurant la jonction de l'un des moteurs avec le reste de l'avion, 10 placée à l'interface de la voilure avec le moteur. Il peut s'agir notamment de la zone appelée « pre-cooler » ou zone de prérefroidissement où peuvent régner des températures d'environ 150°C ; - la zone du moteur auxiliaire de puissance appelé APU (auxiliary power unit); - la zone de la machine de conditionnement d'air (dite zone « pack ») qui se situe 15 généralement dans une partie non pressurisée de l'avion. Bien que cette zone soit ventilée, la température peut y monter jusqu'à 70 ou 80°C ; - la zone des lignes de bleed dont la température intérieure est de l'ordre de 200 °C ; - la zone des cceurs électriques primaires et secondaires permettant la 20 distribution de courant électrique dans l'avion et qui sont le siège d'un échauffement par effet Joule ; - la zone des convertisseurs de courant et de tension électrique ; - la zone locale des actionneurs électro-hydrauliques en voilure pouvant présenter une température jusqu'à 110°C environ en l'absence de ventilation ; 25 - les zones où se situent les contrôleurs de différents systèmes tels que les pompes hydrauliques, les machines thermiques, etc ; - la zone de capotage de certains rails de volet. En effet, l'échangeur thermique de l'appareillage hydraulique pouvant se situer dans cette zone, la température peut y atteindre jusqu'à 80°C dans certaines conditions de variation de pression 30 hydraulique ; - la zone située au-dessus des porte-bagages en cabine (appelée zone « crown ») dans laquelle les culots des lampes d'éclairage de cabine sont installés. Cette zone est le siège d'un échauffement par effet Joule et fait l'objet d'une isolation thermoaccoustique pour le confort des passagers ; et 35 - la zone des piles à combustible telles que les piles à combustible à membrane d'échange de protons, connues aussi sous le nom de piles à combustible à membrane électrolyte polymère (ou PEMFC selon l'acronyme des expressions 2965797 -10- anglaises proton exchange membrane fuel cens ou polymer electrolyte membrane fuel cens) ou les piles à combustibles à oxydes solides (ou SOFC selon l'acronyme anglais de solid oxide fuel cens). Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications 5 sans sortir du cadre de celle-ci. La pièce à laquelle les éléments de liaison transmettent la chaleur du dispositif peut ne pas être un support de ce dernier, en étant par exemple une pièce distincte du support prévu par ailleurs et dédiée à l'évacuation de la chaleur. REVENDICATIONS1. Ensemble pour aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un dispositif (12), - une pièce (14) telle qu'un support du dispositif, et - au moins un élément de liaison (16) comprenant des nanotubes de carbone (18) et par l'intermédiaire duquel le dispositif est en contact avec la pièce. 2. Ensemble selon la revendication précédente dans lequel le ou chaque élément de liaison (16) comprend une matrice (20) recevant les nanotubes. 3. Ensemble selon la revendication précédente dans lequel la matrice (20) est en polymère. 4. Ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le ou chaque élément de liaison (16) comprend de l'alumine, par exemple sous la forme d'une matrice ou de microparticules. 5. Ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif comprend un circuit électronique (12) comportant un substrat (24), ce dernier portant des composants électroniques (26) et étant en contact avec la pièce par l'intermédiaire du ou de chaque élément de liaison. 6. Ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, la pièce étant une première pièce (14), le dispositif comprend au moins deux organes (12) et une deuxième pièce (22) reliée aux organes indépendamment l'un de l'autre et en contact avec la première pièce par l'intermédiaire du ou de chaque élément de liaison. 7. Ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins certains des nanotubes sont de type monofeuillet 8. Ensemble précédentes dans multifeuillet. 9. Ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif (12) est électrique, électronique, fluidique et/ou mécanique. 10. Aéronef (2) caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes. selon au moins l'une quelconque des revendications lequel au moins certains des nanotubes sont de type35