Brevet FR3039703A1 — publié le 20170203

SYSTEME THERMIQUE PASSIF A BASE DE NANO-ELEMENTS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à un système comprenant une source chaude à refroidir, et son dispositif de refroidissement. L'invention s'applique en particulier à un phare de véhicule, dont la source lumineuse doit être refroidie. De manière plus générale, elle s'applique à tout système comprenant une source chaude à refroidir ainsi qu'un élément semi-transparent, notamment dans les domaines de l'électronique et de la microélectronique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il existe de nombreux systèmes pour lesquels il est nécessaire de procéder à une évacuation de chaleur, en particulier pour éviter des surchauffes locales pouvant mener à la dégradation de ses composants et/ou à un disfonctionnement du système. C'est en particulier le cas dans les domaines de l'électronique ou de l'éclairage de véhicules. A titre d'exemple, sur un véhicule, si une source de lumière à base de LED est enfermée dans une enceinte qui ne peut pas évacuer la chaleur de manière satisfaisante, alors il existe un risque de surchauffe locale au sein du phare. En revanche, si cette chaleur peut être transférée vers une zone plus froide, alors la chaleur sera mieux dissipée et le risque de surchauffe diminué. De l'art antérieur, il est connu de nombreux dispositifs assurant une dissipation thermique. En général, ces dispositifs nécessitent l'utilisation d'une source électrique. A titre d'exemple, il peut s'agir d'une conversion d'énergie électrique afin d'obtenir une génération de froid, par exemple par effet Peltier dans le cas d'un élément thermoélectrique. Il peut également s'agir d'un dispositif de climatisation ou d'un dispositif du type ventilateur. 3039703 2 Néanmoins, il existe un besoin d'optimisation des solutions existantes, notamment dans le but de simplifier leur conception et de les rendre moins énergivores. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l'invention a pour 5 objet un système comprenant une source chaude à refroidir ainsi qu'un dispositif de refroidissement de ladite source chaude, ledit dispositif de refroidissement étant de nature passive et comprenant - un dispositif de dissipation thermique comprenant des nano-éléments 10 dont des nanofils métalliques, le dispositif de dissipation thermique présentant une transmittance supérieure à 70% dans le spectre visible ; et - un dispositif de connexion thermique raccordé d'une part à la source chaude, et d'autre part au dispositif de dissipation thermique. L'invention apporte ainsi une réponse satisfaisante au problème posé, en 15 ce sens qu'elle constitue une solution performante, de conception simplifiée et de nature passive, c'est-à-dire ne nécessitant pas d'apport d'énergie électrique pour assurer son fonctionnement. En outre, l'invention s'avère encore plus avantageuse lorsque le système auquel elle est intégrée présente un élément semi-transparent ou similaire, car le dispositif de dissipation thermique présente une transmittance élevée lui permettant d'être déposé 20 sur cet élément semi-transparent, sans en altérer ses fonctionnalités. De plus, selon les conditions d'utilisation, la source chaude peut aussi être utilisée pour désembuer/dégivrer une surface froide formant substrat, sur laquelle est déposé le dispositif de dissipation thermique. Dans ce cas, le dispositif passif de dissipation thermique remplit également une fonction de chauffage, puisque la chaleur est transférée 25 de la source chaude vers le substrat à désembuer/dégivrer. L'invention présente de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. Le dispositif de dissipation thermique comprend également : - des nanotubes de carbone ou leurs dérivés ; et/ou 3039703 3 - des feuillets de graphène ou leurs dérivés ; et/ou - des nano-éléments à base de nitrure de bore ou d'oxydes métalliques. Les nano-éléments du dispositif de dissipation thermique forment un réseau thermiquement conducteur de densité surfacique de l'ordre de 2 à 1000 mg/m2, et 5 de préférence de l'ordre de 10 à 200 mg/m2. Le dispositif de connexion thermique présente une conductivité thermique supérieure à 10 W.m-1.K-1, ce dispositif de connexion thermique étant de préférence, mais de façon non exclusive, une tresse à base de cuivre ou d'aluminium. Le système comprend de préférence un substrat sur lequel le dispositif 10 de dissipation thermique est déposé. Alternativement, le dispositif de dissipation thermique pourrait être intégré par construction audit substrat. De préférence, le système comprend également une couche semi-transparente recouvrant le dispositif de dissipation thermique, par exemple pour assurer une protection mécanique/chimique de ce dispositif. De préférence, le substrat présente une transmittance supérieure à 50% 15 dans le spectre visible. De préférence, ledit substrat est à distance de la source chaude, et ledit dispositif de dissipation thermique permet dans ce cas de diffuser de la chaleur provenant de la source chaude, sur le substrat pour son dégivrage et/ou désembuage. Comme cela a été évoqué ci-dessus, il est à comprendre que le dispositif de dissipation thermique permet 20 non seulement de refroidir de manière passive la source chaude, mais également d'assurer le dégivrage/désembuage du substrat semi-transparent, également de manière passive. Ce dispositif présente ainsi avantageusement une double fonction, basée sur le transfert de chaleur. Eventuellement, le système peut comprendre un moyen de 25 refroidissement du substrat. Ce moyen est de préférence conçu pour assurer une circulation d'un fluide, cette circulation s'effectuant par des éléments spécifiques de mise en circulation du fluide de refroidissement. Cependant, cette fonction de refroidissement peut être simplement obtenue par déplacement du système dans l'air. Ce dernier cas de figure est notamment rencontré dans l'une des applications privilégiées de l'invention, à savoir celle des phares de véhicule pour laquelle l'air impactant le verre de protection 3039703 4 remplit la fonction de fluide de refroidissement. Quoi qu'il en soit, le refroidissement peut être soit opéré en surface, soit en prévoyant un réseau de canaux de circulation de fluide de refroidissement au sein du substrat, afin de refroidir plus efficacement son coeur. Comme évoqué ci-dessus, le système selon l'invention est 5 préférentiellement un phare de véhicule. Il peut s'agir d'un véhicule terrestre comme un véhicule automobile du type voiture, moto, ou encore une véhicule de transport ferroviaire ou de navigation maritime/fluviale. Alternativement, il peut s'agir d'un véhicule de transport aérien, tel qu'un aéronef. De préférence, le phare comprend : 10 - un boîtier ; - une source lumineuse constituant ladite source chaude, la source lumineuse étant logée dans ledit boîtier ; et - une verre de protection fermant le boîtier, le verre de protection constituant ledit substrat. 15 De préférence, ladite source lumineuse est une ampoule à LED. Enfin, selon une autre application de l'invention, le système est un système électronique ou microélectronique. Néanmoins, l'invention s'applique à tout système comprenant une source chaude générant de la chaleur à évacuer et/ou à restituer. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la 20 description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue schématique d'un système selon l'invention ; et 25 - la figure 2 représente une vue de côté d'un phare de véhicule, réalisé selon le principe de l'invention. 3039703 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté un système 1 selon l'invention, comprenant une source chaude 2, son dispositif de refroidissement 4, 6 à caractère passif. Ce dispositif de refroidissement comporte un dispositif de dissipation 5 thermique 4 ainsi qu'un dispositif 6 de connexion thermique entre le dispositif de dissipation 4 et la source chaude 2. L'une des particularités de l'invention réside dans la conception du dispositif de dissipation thermique, qui comprend une multitude de nano-éléments 8 déposés sur un substrat 10 du système 1. 10 Parmi les nano-éléments 8, il est prévu des nanofils métalliques. Par nanofils, il est entendu des éléments dont le rapport entre la longueur et le diamètre est supérieur à 10, et dont le diamètre peut varier de 20 à 800 nm. Ces nanofils métalliques sont de préférence réalisés à l'aide d'un métal du type Ag, Au, Ni ou Cu, ou à l'aide d'un matériau contenant au moins 50 % de l'un des 15 métaux précités. Des nanofils métalliques réalisés dans des matériaux différents pris parmi le groupe mentionné ci-dessus peuvent être mélangés au sein du dispositif de dissipation thermique 4, sans sortir du cadre de l'invention. D'ailleurs, d'autres types de nano-éléments peuvent également y être intégrés, comme des nanotubes de carbone et/ou des dérivés de ce type de nanotubes, 20 des feuillets de graphène et/ou des dérivés du graphène, et/ou encore des nano-éléments à base de nitrure de bore ou d'oxydes métalliques, par exemple du type ZnO ou Si02. Les nano-éléments 8 forment un réseau surfacique percolant déposé à la surface du substrat 10. Sa densité surfacique est de l'ordre de 10 à 200 mg/m2, et plus préférentiellement de 20 à 80 mg/m2. L'une des particularités de l'invention réside dans le 25 fait que ce réseau présente une transmittance supérieure à 70% dans le spectre visible, à savoir pour des longueurs d'ondes allant de 390 à 780 nm. Par exemple, la transmittance du dispositif 4 peut être fixée aux alentours de 80%. Cette transmittance, également dénommée facteur de transmission ou transparence, présente une valeur élevée qui permet au substrat 10 de conserver ses 3039703 6 fonctions de semi-transparence, lorsqu'une telle fonction est souhaitée. En effet, le substrat 10 présente quant à lui une transmittance supérieure à 50% dans le spectre visible, obtenue grâce à une réalisation à base de polymère de type polycarbonate ou polyacrylate (par exemple du PMMA, Poly(methylmethacrylate)). 5 Pour assurer le raccordement entre la source chaude 2 et le dispositif de dissipation thermique 4, le dispositif de connexion thermique 6 prend de préférence la forme d'une tresse à base de cuivre, dont l'une des extrémités est fixée sur la source chaude 2, et l'autre extrémité fixée sur le réseau percolant de nano-éléments 8. Comme cela a été représenté schématiquement sur la figure 1, cette seconde extrémité de la tresse 10 6 peut être associée à une bande de diffusion 12 dans le but de répartir au mieux la chaleur à travers le réseau de nano-éléments 8. En outre, afin d'évacuer le plus de chaleur possible de la source 2, la conductivité thermique de la tresse 6 est élevée, par exemple supérieure à 10 W.m-1.K-1. Un moyen de refroidissement (non représenté) peut éventuellement être 15 associé au substrat 10 pour l'évacuation de la chaleur, par exemple en faisant circuler un fluide sur la surface extérieure et/ou en son sein à l'aide de canaux appropriés. Néanmoins, il est ici privilégié un refroidissement naturel par air, obtenu par la mise en mouvement du système 1 conduisant l'air à circuler sur la surface extérieure du substrat 10, équipé du réseau de nano-éléments 8 sur cette même surface extérieure. 20 Il est noté que ce réseau peut être obtenu selon le mode opératoire décrit dans la publication Nanotechnology 2013, 24, 215501, relative à la fabrication de nanofils d'argent. Les nanofils 8 sont ensuite déposés par nébulisation sur la surface extérieure du substrat 10, afin de constituer le réseau percolant thermiquement conducteur. L'invention trouve de nombreuses applications dans les domaines de 25 l'électronique, de la microélectronique, ou encore dans le domaine des phares de véhicules, par exemple des véhicules routiers. Une telle application va à présent être décrite en référence à la figure 2. Le phare constitue le système 1, et comprend un boîtier extérieur 20 définissant une enceinte 22 dans laquelle est située une ampoule à LED 2 constituant la 30 source chaude. L'enceinte 22 est obturée vers l'avant par un verre de protection 10 3039703 7 formant le substrat du système, ce verre étant également dénommé lentille. D'autres éléments conventionnels sont également prévus au sein du phare 1, comme un réflecteur parabolique 24. Le verre de protection 10 est donc revêtu, sur sa surface extérieure, d'un 5 réseau de na no-éléments 8 au sens indiqué précédemment. En outre, une tresse 6 formant conducteur thermique, par exemple à base de cuivre 6, raccorde thermiquement le réseau 8 et l'ampoule à LED 2, comme cela a été schématisé sur la figure 2. De ce fait, la chaleur produite par l'ampoule à LED 2 peut être évacuée efficacement via le réseau de nanoéléments 8 et son contact avec l'air extérieur, ce qui permet de limiter les risques de 10 surchauffe des éléments critiques du phare. Egalement, le réseau de nano-éléments 8 permet possiblement de désembuer et/ou dégivrer le verre de protection 10, situé à distance de l'ampoule 2. En effet, un autre avantage de l'invention réside dans la possibilité de fonctionnaliser la chaleur transférée au niveau du verre de protection 10, en lui faisant remplir un rôle de 15 dégivrage et/ou de désembuage du phare 1. A cet égard, il est noté que ce type de fonctionnalisation peut également être mis en oeuvre dans d'autres applications de l'invention. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples 20 non limitatifs. Par exemple, une couche semi-transparente peut être appliquée sur le dispositif de dissipation thermique 4, après dépôt des nano-éléments. Cette couche présente par exemple une transmittance supérieure à 70% dans le spectre visible. Elle peut remplir une ou plusieurs fonctions, comme la protection mécanique/chimique du dispositif de dissipation thermique. Par exemple, il peut s'agir d'un film polymère à co-laminer, ou le 25 dépôt d'une couche de vernis semi-transparent, par exemple à base de polymères de type silicone, polyuréthane ou époxy. REVENDICATIONS1. Système (1) comprenant une source chaude (2) à refroidir ainsi qu'un dispositif de refroidissement (4, 6) de ladite source chaude, caractérisé en ce que ledit dispositif de refroidissement est de nature passive et comprend : - un dispositif de dissipation thermique (4) comprenant des nanoéléments dont des nanofils métalliques (8), le dispositif de dissipation thermique présentant une transmittance supérieure à 70% dans le spectre visible ; et - un dispositif de connexion thermique (6) raccordé d'une part à la source chaude (2), et d'autre part au dispositif de dissipation thermique (4). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de dissipation thermique (4) comprend également : - des nanotubes de carbone ou leurs dérivés ; et/ou - des feuillets de graphène ou leurs dérivés ; et/ou - des nano-éléments à base de nitrure de bore ou d'oxydes métalliques. 3. Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les nano-éléments (8) du dispositif de dissipation thermique (4) forment un réseau thermiquement conducteur de densité surfacique de l'ordre de 2 à 1000 mg/m2, et de préférence de l'ordre de 10 à 200 mg/m2. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de connexion thermique (6) présente une conductivité thermique supérieure à 10 W.m-1.K-1. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de connexion thermique (6) est une tresse à base de cuivre ou d'aluminium. 3039703 9 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (10) sur lequel le dispositif de dissipation thermique (4) est déposé ou dans lequel il est intégré, le système (1) comprenant de 5 préférence également une couche semi-transparente recouvrant le dispositif de dissipation thermique (4). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat (10) présente une transmittance supérieure à 50% dans le spectre visible. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est à distance de la source chaude (2), et en ce que ledit dispositif de dissipation thermique (4) permet de diffuser de la chaleur provenant de la source chaude (2), sur le substrat pour son dégivrage et/ou désembuage. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un phare de véhicule (1). 10. Système selon la revendication 9 combinée à l'une quelconque des 20 revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le phare comprend : - un boîtier (20) ; - une source lumineuse (2) constituant ladite source chaude, la source lumineuse étant logée dans ledit boîtier (20) ; et - une verre de protection (10) fermant le boîtier, le verre de protection 25 constituant ledit substrat. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite source lumineuse est une ampoule à LED (2). 10 15 3039703 10 12. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est un système électronique ou microélectronique. 5