Brevet FR2990301A1 — publié le 20131108

-1- DISPOSITIF DE CONVERSION D'ENERGIE THERMIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE EN PRESENCE D'UNE SOURCE CHAUDE Domaine Technique L'invention se rattache aux dispositifs de conversion d'énergie permettant notamment de convertir une énergie thermique en signaux électriques en vue de stocker cette énergie sous forme électrique. L'invention trouve une application particulière mais non exclusive dans le domaine des capteurs autonomes, qui sont des dispositifs électroniques destinés à être utilisés dans des endroits ne permettant pas un raccord simple au réseau électrique, ou bien dans des emplacements où d'autres sources d'énergie comme l'énergie solaire sont peu ou pas efficaces. Les sources de chaleur alimentant les dispositifs décrits dans ce mode de réalisation peuvent avoir une origine naturelle ou artificielle (canalisations de fluides, composants électroniques, flux thermique par effet Joule). Arrière plan de l'invention Le développement de composants électroniques à basse consommation, du fait de la miniaturisation des circuits intégrés, des perfectionnements liés aux énergies requises pour les faire fonctionner et l'apparition des MEMS (systèmes micro-électromécaniques), inspire de nombreux développements dans le domaine de l'exploitation d'énergie vibratoire, solaire, thermique etc. De nombreuses sources de chaleur dissipent de l'énergie thermique qui n'est pas exploitée. Parallèlement, dans certains endroits difficiles d'accès, il peut être laborieux ou coûteux de prévoir une alimentation électrique par le réseau de distribution public ou de devoir assurer un entretien particulier pour recharger une batterie par des moyens manuels. Il serait avantageux de pouvoir exploiter l'énergie thermique là où elle est 30 disponible en abondance, notamment lorsque d'autres sources d'énergie s'avèrent moins pratiques d'utilisation. L'exploitation de l'énergie thermique afin de produire des signaux électriques est envisageable par plusieurs procédés. -2- Le brevet n° DE 1 184 828 décrit par exemple un système de génération de courant à partir de chaleur en exploitant les variations de permittivité électrique induites par les variations de température au sein d'un matériau ferroélectrique. Le matériau ferroélectrique est disposé entre deux électrodes, ce qui a pour effet d'induire une variation de capacité entre ces deux électrodes qui suivent les variations de permittivité du matériau ferroélectrique. Une des contraintes associée à ce dispositif est liée à la disponibilité de matériaux ferroélectriques présentant des températures de Curie permettant de couvrir une gamme de températures large pour assurer la génération de courant dans des conditions variées, et 10 notamment proche de la température ambiante. Résumé de l'invention Le Demandeur a identifié un besoin d'un dispositif capable d'être décliné pour des fonctionnements dans diverses plages de températures. 15 Ainsi, il est proposé un dispositif qui exploite la déformation d'une électrode par rapport à l'autre pour générer des signaux électriques. Cette déformation, qui suit un cycle en présence d'un gradient de température, dépendant ou ne dépendant pas du temps, provoque un éloignement de l'une des électrodes par rapport à l'autre permettant ainsi de faire varier la capacité d'un condensateur. La gamme de températures de fonctionnement 20 de ce dispositif est alors principalement fonction des propriétés mécaniques de l'électrode deformable, ce qui permet un ajustement plus fin du dispositif pour s'adapter à des environnements présentant des variations de température spécifiques. Selon un premier mode de réalisation, il est proposé un dispositif de conversion 25 d'énergie thermique en énergie électrique destiné à être utilisé en combinaison avec une source chaude comportant : - Un condensateur à capacité variable, comprenant deux électrodes séparées par un matériau électriquement isolant, l'une de ces électrodes étant deformable et étant associée à un élément formant un bilame, ledit bilame comprenant au moins deux 30 couches de matériaux de coefficients de dilatation thermique différents, ledit bilame étant libre de se déformer lorsqu'il est soumis à la chaleur de ladite source chaude, - Un deuxième condensateur, dont une première électrode est reliée à une première électrode dudit condensateur à capacité variable, -3 - - Un circuit de récupération connecté électriquement entre la seconde électrode du condensateur à capacité variable et la seconde électrode du deuxième condensateur, ledit circuit de récupération étant apte à être traversé par le courant circulant entre lesdites secondes électrodes. Selon un second mode de réalisation, il est proposé un dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie électrique destiné à être utilisé en combinaison avec une source chaude comportant : - Une électrode deformable associée à un élément formant un bilame, comprenant au moins deux couches de matériaux de coefficients de dilatation thermique différents, ledit bilame étant libre de se déformer lorsqu'il est soumis à la chaleur de ladite source chaude, - Un electret, dont l'une des faces est au moins partiellement en regard de ladite électrode deformable, - Une seconde électrode comprenant une couche d'un matériau conducteur, disposée en regard d'une face dudit electret, - Un circuit de récupération connecté électriquement entre ladite électrode deformable et ladite seconde électrode, ledit circuit de récupération étant apte à être traversé par le courant circulant entre ladite électrode deformable et ladite seconde électrode. Selon d'autres modes de réalisation, on peut construire un dispositif qui comporte un support solide comprenant une cavité creuse dans laquelle le bilame est libre de se déformer. Ce support permet alors à l'élément deformable de se mouvoir avec une amplitude accrue entre deux positions extrêmes. La forme de cette cavité creuse peut avoir une géométrie quelconque, telle qu'une forme parallélépipédique, cylindrique, circulaire ou autre. Il est aussi envisageable de prévoir un dispositif selon l'un des deux premiers modes de réalisation proposés dans lequel le support est électriquement isolant et 30 supporte une électrode. Dans une autre configuration, on peut avoir un dispositif dans lequel le support est électriquement conducteur. Dans ce cas de figure, il n'est pas nécessaire que ledit support comprenne une électrode. -4- Afin d'accroître les performances du dispositif suivant les deux premiers modes de réalisation, il peut être judicieux de mettre en place un dispositif qui comporte un organe formant une source froide, le bilame étant situé entre la face du dispositif exposée à la source chaude et ladite source froide. Ceci permet d'accroître l'écart en température subi par l'élément deformable du dispositif entre ces deux positions extrêmes. Dans la pratique, le bilame peut comporter des matériaux conducteurs de courant, auquel cas l'électrode deformable peut former une couche du bilame. L'électrode associée au bilame peut être placée sur l'une quelconque des couches 10 du bilame. Ainsi, il se peut que l'électrode deformable soit en contact avec la couche du matériau possédant le plus grand ou le plus petit coefficient de dilatation thermique du bilame. 15 Pour augmenter la puissance disponible, il est avantageux de construire une matrice de dispositifs tels que décrits ci-avant, dans laquelle les éléments unitaires ou les circuits de récupération sont interconnectés. Il peut y avoir un ou plusieurs éléments unitaires par circuit de récupération. 20 Selon un mode de réalisation, un dispositif unitaire ou une matrice de dispositifs peut être intégré dans un composant électronique. Description sommaire des dessins Certaines caractéristiques de l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, 25 ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées données à titre d'exemple non limitatif, et dans lesquelles : - La figure 1 est une vue en perspective sommaire montrant un dispositif électrique selon un premier mode de réalisation dans une première configuration. 30 - La figure 2 est une vue en perspective sommaire montrant le dispositif électrique de la figure 1 dans une seconde configuration. - La figure 3 est un schéma électrique équivalent du dispositif selon le premier mode de réalisation. - La figure 4 est une vue en perspective sommaire montrant un dispositif électrique 35 selon un second mode de réalisation dans laquelle l'électrode deformable est une -5- couche du bilame et le bilame rentre en contact avec un organe formant une source froide. - La figure 5 est une vue en perspective sommaire analogue à celui de la figure 1 montrant un dispositif électrique selon un troisième mode de réalisation dans laquelle l'électrode deformable associée au bilame est en contact avec le matériau du bilame possédant le plus petit coefficient de dilatation thermique. - La figure 6 est une vue en perspective sommaire montrant une variante du dispositif électrique de la figure 2, dans laquelle l'électrode deformable associée au bilame est poinçonnée. - La figure 7 est une vue en perspective sommaire montrant un dispositif électrique selon un quatrième mode de réalisation dans une première configuration. - La figure 8 est une vue en perspective sommaire montrant le dispositif électrique de la figure 7 dans une seconde configuration. - La figure 9 est une vue schématique d'un ensemble de dispositifs de génération d'énergie électrique interconnectés. Bien entendu, les formes et les dimensions des éléments représentés aux figures ont été choisies pour faciliter la compréhension de l'invention, et peuvent être exagérées, ou s'éloigner de la réalité. Description détaillée Pour générer de l'électricité à partir d'une source de chaleur 13, il est proposé différents modes de réalisation reposant sur un concept analogue associant une source de chaleur 13 avec un bilame 4, dont le mouvement, provoqué par une variation de température, (pouvant être un gradient dépendant ou ne dépendant pas du temps) modifie les propriétés d'un circuit électrique et génère des signaux électriques dans un circuit fermé. Le dispositif 1 illustré à la figure 1 comporte trois éléments assemblés en un circuit fermé : - un condensateur à capacité variable 10, qui repose sur un support 7 - un deuxième condensateur 8, et - un système de récupération d'énergie électrique 9.35 -6- Par condensateur à capacité variable 10, on entend un ensemble de deux électrodes en regard l'une de l'autre dont l'une se déforme en présence d'un gradient de température par rapport à l'autre. Cette déformation donne lieu à un éloignement (cf. figure 2) ou un rapprochement (cf. figure 1) de l'une des électrodes par rapport à l'autre, conduisant à 5 une variation de la capacité du condensateur 10. Le gradient de température est appliqué au système par une source chaude 13, naturelle ou artificielle. Par circuit de récupération d'énergie électrique, on entend tout système permettant la conversion des signaux électriques générés par ce dispositif en une forme utilisable d'énergie électrique, telle que par exemple un circuit de gestion de la puissance et conditionnement qui permet de 10 charger un accumulateur ou une batterie. On pourra par exemple s'inspirer de systèmes de récupération d'énergie connus comme ceux décrits dans la référence : US 7781943 Bi. On notera que le système de récupération peut se brancher suivant plusieurs configurations, à savoir en série ou en parallèle avec les deux condensateurs. Un schéma électrique équivalent pour ce dispositif est illustré à la figure 3. 15 Le condensateur à capacité variable 10 du dispositif représenté sur la figure 1 se compose d'un élément deformable, comportant une électrode 3 associée à un bilame 4. Le bilame 4 comprend au moins deux couches de matériaux dont les coefficients de dilatation thermiques sont différents. Outre cet élément deformable, le condensateur à 20 capacité variable 10 comporte également une contre-électrode 6 séparée de la partie deformable par une couche électriquement isolante 5. La différence de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux constituant le bilame 4, permet à ce dernier de se déformer et, ce faisant, de se déplacer entre deux positions extrêmes (représentées sur les figures 1 et 2), lorsqu'il est en 25 présence d'un gradient de température perpendiculairement au plan du bilame 4. De manière générale, il suffit que le bilame soit en présence d'un gradient de température possédant une composante non nulle suivant un axe perpendiculaire au bilame, et suffisant pour induire des déformations dudit bilame 4. La couche isolante 5 permet de s'affranchir de tout risque de court-circuit entre les 30 électrodes du condensateur à capacité variable 10 dans le cas où les matériaux constituant le bilame 4 sont eux-mêmes électriquement conducteurs. D'autre part, la couche isolante 5 permet également de choisir la valeur maximale de la capacité variable du condensateur 10. -7- Dans le dispositif de la figure 1, le bilame 4 est en contact avec une couche de matériau électriquement isolant 5. Cette couche de matériau isolant 5 peut être constituée par le support 7 sur lequel repose la contre-électrode 6, ou bien faite d'un autre matériau, par exemple un polymère quelconque. Il est cependant souhaitable de veiller à ce que ce matériau ait des dimensions propres à résister aux contraintes mécaniques subies par les déplacements du bilame 4, qui peut venir contacter ledit isolant électrique 5 lors de ses oscillations mécaniques. L'appréciation de l'épaisseur de cette couche dépend en particulier des applications et des choix des différents matériaux et géométries du dispositif. Cette appréciation est du ressort de l'homme du métier. Le dispositif 1 de la figure 1 comporte un second condensateur 8, connecté en série au condensateur à capacité variable 10. Ce condensateur 8 sert dans la pratique de réservoir de charges, et doit donc être chargé pour que le dispositif produise des impulsions électriques en présence d'une source chaude 13. On prévoira une charge préalable du condensateur 8 pour ce besoin. Juxtaposé au condensateur à capacité variable 10 tel que représenté sur la figure 1, on trouve un support 7 pouvant être électriquement isolant ou bien électriquement conducteur. Ce support possède une cavité creuse permettant à l'élément deformable du condensateur à capacité variable 10 de se mouvoir avec une amplitude optimisée. Ce support 7 peut être fabriqué dans un matériau électriquement conducteur, auquel cas il peut également servir de contre-électrode 6. Lorsque le dispositif est associé avec d'autres dispositifs analogues partageant le même support, il peut être souhaitable que le support 7 soit conçu dans un matériau électriquement isolant, pour éviter les couplages parasites entre les différents dispositifs. Il est par ailleurs préférable d'avoir un support 7 constitué d'un matériau qui conduit efficacement la chaleur de la source chaude 13 au bilame 4. Avantageusement, on préfèrera aussi des matériaux dont la déformation latérale en sollicitation thermique est comparable à celle du bilame 4 pour fabriquer le support 7, ce qui permet de réduire les contraintes mécaniques imposées au dispositif La conversion d'énergie thermique en énergie électrique sous forme d'impulsions électriques est obtenue grâce à l'élément deformable du condensateur à capacité variable 10. Un choix avantageux de matériaux pour le bilame 4 faisant partie du condensateur 35 à capacité variable 10 peut être un alliage fer/nickel avec environ 36% de fer (aussi -8- communément appelé « invar », possédant un des plus bas coefficients de dilatation thermique connus à ce jour) pour le matériau le plus proche de la source chaude 13, et de l'aluminium pour le matériau le plus éloigné de la source chaude 13. L'aluminium est connu pour avoir un coefficient de dilatation thermique environ 20 fois plus grand que l'« invar°», de l'ordre de 22 x 10-6K-1. Le choix particulier de ces matériaux peut être fonction des écarts de température perçus par le bilame 4 entre ses deux positions extrêmes, et des contraintes mécaniques éventuelles dues à la taille du dispositif. En effet, les déformations du bilame 4 et son interaction mécanique avec l'isolant 5 au contact duquel il vient peuvent influer sur la 10 durée de vie du système. Dans une configuration macroscopique, dans laquelle le bilame 4 a pour dimensions typiques caractéristiques quelques centimètres pour la largeur et la longueur et quelques dixièmes de millimètres pour l'épaisseur, un bilame 4 composé d'aluminium et d' « invar° » peut convenir. Dans une configuration microscopique, dans laquelle le bilame 4 a pour dimensions typiques caractéristiques quelques millimètres 15 pour la largeur et la longueur, et quelques dizaines de microns pour l'épaisseur, on pourra préférer naturellement un couple silicium/aluminium (où le silicium remplace « invar ®»), ou bien Ti/Cu ou bien Ti/Al. Du reste, on peut tout à fait utiliser des matériaux autres, à condition qu'ils aient des coefficients de dilatation thermique différents et que ces derniers soient adaptés pour 20 induire une déformation du bilame 4 dans le gradient de température dans lequel il est destiné à être placé. On peut par exemple prévoir un système dans lequel l'un des matériaux constituant le bilame 4 est un conducteur électrique, pouvant alors remplir le rôle d'électrode 3, comme représenté sur la figure 4. Il est également possible que les matériaux constitutifs du bilame 4 soient tous des isolants électriques, auquel cas une 25 électrode conductrice 3 est solidaire du bilame en étant placée en haut (cf figures 1, 2, 6, 7, 8) ou en bas (cf. figure 5) du bilame. A titre d'exemple non limitatifs, on pourra choisir pour le bilame parmi les matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), nitrure de titane (TiN), titane polycristallin, cuivre (Cu), tungstène (W), dioxyde de silicium (Si02), alliage fer nickel. 30 Pour garantir une déformation brusque du bilame 4 entre ses deux positions extrêmes, on peut utiliser des bilames qui ont été géométriquement conformés à cet effet, par exemple par un poinçonnage 12 dudit bilame 4, comme représenté sur la figure 6. Ce poinçonnage 12, qui précontraint le bilame 4, peut également servir à moduler les écarts de température auxquels le bilame 4 est sensible. Ainsi plus le poinçon 12 est grand, plus 35 les écarts de température nécessaires aux oscillations entre les deux positions extrêmes du -9- bilame 4 peuvent être élevés. On notera cependant que la vitesse d'oscillation du bilame 4 peut ne pas être un critère essentiel du fonctionnement du dispositif Accessoirement, en plus d'une source chaude 13, il est possible de placer un organe froid 16, de telle sorte que le bilame soit intercalé entre ces deux sources de chaleur, définissant un gradient de température transverse plus important dans le milieu dans lequel le dispositif est placé. Pour que l'élément deformable du condensateur à capacité variable passe plus rapidement d'une position extrême à l'autre, il peut être avantageux de placer l'organe froid 16 de telle sorte à ce que l'élément deformable entre en contact avec cet élément froid 16 dans l'une de ses positions extrêmes (cf figure 4). Dans ce cas de figure, on peut également prévoir de sertir l'élément portant le bilame 4 d'un capteur pour mesurer ses déplacements, avantageusement un capteur piézoélectrique. Diverses géométries sont envisageables pour le dispositif électrique présenté ci- avant. Par exemple, on peut concevoir un élément deformable parallélépipédique maintenu par deux bords à un ensemble formé par l'isolant 5, l'électrode 6, et le support 7, cet ensemble étant lui-même parallélépipédique (comme représenté sur les figures 1, 2, 4, 5, 6, 7, 8). D'autres formes peuvent être compatibles avec un fonctionnement du dispositif, selon son utilisation, qu'il soit prévu pour fonctionner seul, dans une matrice de dispositifs (comme représenté sur la figure 9) ou à l'intérieur d'un composant électronique. Il est également possible de ne maintenir l'élément deformable que par un seul côté ou bien sur tout son pourtour. Une variante de réalisation est proposée par le dispositif 14 de la figure 7, également représenté sous la forme du dispositif 15 de la figure 8. Ce dispositif comporte quatre éléments principaux : - un élément deformable incluant un bilame 104 et une électrode 103, cette dernière pouvant être l'une des couches du bilame 104 lui-même - un electret 11, servant de réservoir de charges ou de source polarisée - une seconde électrode 106 reposant sur un support 107 et - un circuit de récupération 109 du courant généré par le dispositif Ce dispositif présente des similitudes avec le dispositif décrit précédemment. En particulier, le bilame 104, le support 107 et le circuit de récupération 109 remplissent - sensiblement la même fonction, la différence principale reposant sur l'emploi d'un electret 11. L'électret 11, est une couche isolante ayant une épaisseur typique de l'ordre de quelques dizaines de microns dans une configuration macroscopique ou une épaisseur typique de l'ordre du micron ou moins dans une configuration microscopique. Les largeurs et longueurs caractéristiques de l'électret sont sensiblement les mêmes que celles utilisées pour le bilame 4, tel que décrit plus haut. Cet electret 11 est une couche polymérique (ou de céramique, par ex Si02) qui sert de réservoir de charges d'espace ou surfaciques. Il peut également être fabriqué en matériau à polarisation interne (céramique ferroélectrique par exemple), auquel cas il manifestera une différence de potentiel entre ses deux faces. Il est solidaire du support 107, de sorte que les mouvements de l'élément deformable par rapport à l'électret 11 donnent lieu à une variation de la capacité entre l'électrode de l'élément deformable et l'électret 11. En ce sens, l'élément deformable et l'électret 11 forment un élément capacitif qui se comporte d'une façon analogue au condensateur à capacité variable 10 décrit dans le dispositif 1 des figures 1 à 3. Un electret 11 fin permet d'avoir des variations de capacité plus importantes qu'un electret 11 épais, qui offre une meilleure résistance mécanique et permet d'avoir un plus grand réservoir de charges. Chargé à des tensions pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de volts dans une configuration macroscopique du dispositif, l'électret 11 se décharge sur des échelles de temps longues, pouvant atteindre plusieurs années, d'où son utilité par rapport à un condensateur classique qu'il faut recharger pour compenser les pertes dues aux résistances de fuite. En fonction de la technologie employée, la durée de conservation de la charge dans l'électret peut être variable et on choisira donc l'électret en fonction de la durée souhaitée d'emploi du dispositif L'électret 11 peut être de deux sortes : à polarisation interne, ou à charges d'espace, et il acquiert la charge ou la polarisation qu'on lui applique au moment de sa fabrication. Un exemple de matériau utilisable pour fabriquer un electret est l'oxynitrure de silicium (SiON). On peut avantageusement réduire la taille des dispositifs décrits ci-avant pour faciliter leur intégration dans des composants électroniques ainsi que pour bénéficier d'un meilleur rendement électromécanique. 1 - Les dispositifs décrits ci-avant sont intéressants par exemple pour une application dans le domaine des capteurs autonomes, situés dans des endroits présentant une faible luminosité et près desquels une source de chaleur permet de bénéficier d'un gradient de température exploitable. On peut ainsi utiliser l'un de ces deux dispositifs près d'une telle source chaude pour alimenter des composants électroniques à faible consommation sans avoir à utiliser de batteries.