Brevet FR3064085A1 — publié le 20180921

DISPOSITIF POUR REGULER LA TEMPERATURE D'UNE ENCEINTE COMPORTANT UN ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME La présente invention concerne un dispositif d'actionnement d'un 5 mécanisme présentant une première position et une seconde position et permettant de modifier la température d'une enceinte. On connait des dispositifs d'actionnement d'un mécanisme servant à modifier la température d'une enceinte. En effet, dans certains cas, une telle modification est indispensable. Par exemple cette enceinte est une 10 habitation, ou une serre végétale, la température dans cette enceinte ne devant pas franchir une certaine température seuil. De tels dispositifs sont variés. Par exemple le mécanisme est une trappe obturant un orifice de l'enceinte, et le dispositif est un dispositif d'ouverture et de fermeture de cette trappe, la première position 15 correspondant à la position d'obturation, et la deuxième position la position de dégagement de l'orifice. L'ouverture de la trappe fait communiquer l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte, ce qui permet par exemple de réduire la température dans l'enceinte si celle-ci est chauffée et d'empêcher que la température dans l'enceinte augmente au-delà de la 20 température seuil. Ce mécanisme peut être également une vanne d'un système hydraulique transportant un liquide calorifère servant au refroidissement ou au chauffage, un interrupteur/contacteur électrique d'un système de chauffage. 25 D'autres dispositifs d'actionnement de tels mécanismes sont par exemple un ensemble de deux lames jointes (« bilames ») dont les coefficients de dilatation thermique sont différents. Une variation de température va alors courber ce « bilames » dans un sens ou dans l'autre, de façon à couper ou ouvrir un circuit électrique de commande du 30 mécanisme, à la façon d'un interrupteur mécanique. On connait également des dispositifs utilisant un fluide dont le point d'ébullition correspond à la température seuil, le gaz libéré par l'ébullition du fluide activant un capteur qui déclenche le mécanisme. Ces dispositifs présentent l'inconvénient d'être peu fiables (pas de 35 fonctionnement en absence d'électricité), difficiles d'entretien et coûteux (risque de fuite du fluide), et sujets à des pannes. 3064085 2 La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un dispositif qui permette d'actionner un mécanisme de façon à effectuer une régulation dans une enceinte de manière plus économique, et plus fiable. Ce but est atteint grâce au fait que le dispositif comprend un câble en alliage à mémoire de forme situé dans l'enceinte et relié par une attache au mécanisme et par une fixation à une paroi de l'enceinte, et un système de rappel apte à fonctionner en opposition avec le câble, le câble et le système de rappel étant configurés de telle sorte que le dispositif fait passer le mécanisme de la première position à la seconde position lorsque la température dans l'enceinte devient supérieure à une première température seuil Ts1, et qu'il fait passer le mécanisme de la seconde position à la première position lorsque la température dans l'enceinte devient inférieure à une seconde température seuil Ts2 inférieure à la première température seuil Ts1, de telle sorte que le dispositif fonctionne comme une régulation en boucle fermée de la température dans l'enceinte. Grâce à ces dispositions, on obtient une régulation fiable de la température, car c'est une modification cristallographique de l'alliage à mémoire de forme entre austénite et martensite qui permet au mécanisme de passer entre la première et la seconde position. Or cette modification est totalement réversible sur un nombre élevé de cycles, plusieurs centaines de milliers de fois. Le dispositif est en outre moins complexe et moins couteux que les dispositifs existants car il nécessite un minimum de pièces mécaniques. Avantageusement, le câble forme une boucle fermée délimitant une surface non-nulle. Ainsi, l'amplitude de diminution de longueur du câble est plus importante, par rapport au cas où le câble est rectiligne. Par exemple, la fixation est constituée d'une pluralité de N fixations, la boucle passant autour de chacune des N fixations et formant sensiblement un polygone dont les sommets sont les N fixations et l'attache. Par exemple, la fixation est constituée de deux fixations, la boucle 35 passant autour de chacune des fixations et formant sensiblement un triangle dont les sommets sont les deux fixations et l'attache. 3064085 3 Avantageusement, le câble forme en outre au moins une sous-boucle passant directement autour d'une ou plusieurs des fixations sans passer par l'attache. Ainsi, l'amplitude de diminution de longueur du câble est plus 5 importante, par rapport au cas où le câble le câble ne forme pas de sous-boucle. Selon un mode de réalisation, le mécanisme est une trappe apte à obturer un orifice de l'enceinte, la première position et la seconde position étant la position d'obturation et de dégagement de l'orifice par la trappe, 10 respectivement. Par exemple, le système de rappel utilise la gravité. Par exemple, le système de rappel comprend un élément élastique. Par exemple, cet élément élastique est un ressort. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, 15 à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1A est une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, avec la trappe de l'enceinte en position 20 fermée ; - la figure 1B est une vue schématique du dispositif représenté en figure 1A, avec la trappe en position ouverte ; - la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; 25 la figure 3 est une vue schématique d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention ; la figure 4 est une vue schématique d'une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention ; la figure 5 est un ensemble de diagrammes qui expliquent et 30 illustrent le comportement thermomécanique d'un alliage à mémoire de forme ; la figure 6 est un diagramme illustrant les étapes du processus de régulation effectué par le dispositif selon l'invention. L'invention est décrite ci-dessous dans le cas où le mécanisme de modification de la température d'une enceinte 10 est une trappe 20 servant à obturer un orifice 15 de l'enceinte 10. 3064085 4 Le dispositif d'actionnement selon l'invention s'applique cependant à tout autre mécanisme comportant une première position et une seconde position dans lequel la régulation est effectuée par passage entre cette première position et cette seconde position. 5 Par exemple, le dispositif d'actionnement selon l'invention s'applique à une vanne d'alimentation en liquide de refroidissement (la première position est alors la position fermée de la vanne, et la seconde position la position ouverte de la vanne), à une alimentation en chauffage (la première position est alors la position ouverte de l'alimentation, et la 10 seconde position est la position fermée qui coupe cette alimentation en chauffage), à un interrupteur/contacteur électrique d'un système de chauffage ou de refroidissement, à un système de déploiement d'un obturateur de rayons solaires. La figure 1A et la figure 1B montrent une partie de la paroi externe 15 12 d'une enceinte 10. L'intérieur de l'enceinte 10 est située en-dessous de la paroi externe 12, et l'extérieur de l'enceinte est située au-dessus de la paroi externe 12. Cette paroi externe 12 présente un orifice 15 et est munie d'une trappe 20 articulée sur la paroi externe 12 et apte à obturer cet orifice 15 dans une position fermée, et à dégager cet orifice 15 dans 20 une position ouverte. La trappe 20 est reliée par un lien 30 à un câble 40 en alliage à mémoire de forme. Les propriétés d'un alliage à mémoire de forme sont décrites ci-dessous en référence à la figure 5 qui montre un diagramme dans l'espace 25 Contrainte (a) - Déformation (E) - Température (T) (en abrégé a-E-T) qui illustre le comportement de cet alliage. L'effet mémoire de forme, qui donne son nom à ces alliages, exprime leur aptitude à recouvrer totalement leur forme initiale, par un simple chauffage, même après une importante déformation. Ce comportement 30 distinctif des alliages à mémoire de forme est la conséquence d'une transformation solide-solide entre une phase austénitique stable à haute température et une phase martensite métastable à basse température (transformation cristallographique). Cette martensite métastable se présente généralement sous forme de plaquettes appelées variantes de 35 martensite. L'austénite a une structure cristallographique généralement 3064085 5 cubique et la martensite a une structure cristallographique tétragonale, orthorhombique ou monoclinique. L'encart en figure 5 montre les températures de début de transformation austénitique (As) et de fin de transformation austénitique 5 (Af) lors d'une phase de chauffage, et les températures de début de transformation martensitique (Ms) et de fin de transformation martensitique (Mf) lors d'une phase de refroidissement, qui caractérisent cette transformation solide-solide (la température est représentée en abscisse et le pourcentage d'austénite présent dans l'alliage est en 10 ordonnée). Considérons un alliage à mémoire de forme à une température T, dans un état purement austénitique (T > Af)(0). La structure cristallographique est cubique, comme représenté en figure 5. Un refroidissement en l'absence de contrainte et en dessous de la 15 température de fin de transformation martensitique Mf (0) génère de la martensite avec des régions de martensite présentant chacune une orientation différente, comme représenté par le réseau cristallographique. Il ne subsiste plus d'austénite. Cette génération se produit sans induire de déformation à l'échelle macroscopique (martensite métastable ou « auto- 20 accommodée »). Lorsqu'on applique par la suite un chargement mécanique au-delà d'une contrainte appelée contrainte limite de réorientation (CD), un processus de réorientation des variantes de martensite s'opère : certaines variantes mieux orientées par rapport à la contrainte appliquée croissent 25 au détriment des autres. Une déformation macroscopique apparaît alors, comme représenté schématiquement par le réseau cristallographique en figure 5. Lorsque la contrainte est relâchée, les variantes de martensite restent orientées et la déformation est permanente (G). Lors d'un chauffage jusqu'à une température supérieure à Af et en 30 l'absence de contrainte (0), la martensite se transforme brusquement en austénite. La déformation disparaît et l'alliage retrouve sa phase austénitique initiale (0). L'alliage à mémoire de forme est par exemple un alliage TiNi (titane - nickel), ou Cu-Al-Be (Cuivre - Aluminium - Béryllium). 35 Dans l'enceinte 10 représentée en figure 1A, initialement, la trappe 20 est en position fermée. On désire empêcher que la température de 3064085 6 l'enceinte 10 augmente au-dessus d'une température limite Tlim, la température extérieure à l'enceinte 10 étant inférieure à cette température limite Tlim. Cela est le cas par exemple si l'enceinte est une serre pour végétaux. La température initiale dans l'enceinte 10 est 5 inférieure à la température limite Tlim qui est sensiblement égale à la première température seuil Ts1. La première température seuil Ts1 est égale à la température de fin de transformation austénitique Af. En pratique, la température initiale est inférieure à la température de fin de transformation martensitique Mf, et l'alliage à mémoire de forme alors est 10 entièrement en structure martensitique (la température initiale est en général la température ambiante (20°C)). La température de fin de transformation martensitique Mf est égale à la seconde température seuil Ts2. Pour être amené dans son état initial, le câble 40 a été déformé à 15 température initiale depuis sa structure en martensite auto-accommodée (longueur au repos) vers sa structure en martensite. Ainsi, dans sa géométrie déformée, le câble 40 présente une longueur supérieure à sa longueur au repos. Le câble 40 est attaché à une extrémité d'une attache 30 dont l'autre extrémité est attachée à un bord de la trappe 20 opposé à 20 la charnière 22 de la trappe 20. L'attache 30 passe par des points sur la paroi de l'enceinte 10 (dont la paroi externe 12) positionnés de telle sorte qu'une traction sur l'attache 30 est apte à soulever la trappe 20. La longueur de l'attache 30 est choisie de telle sorte que, dans une première position, la tension exercée par le câble 40 et l'attache 30 sur la trappe 20 25 est nulle, ou insuffisante pour soulever la trappe 20. Dans cette première position, la trappe 20 est donc maintenue fermée par son propre poids. Le câble 40 est attaché d'un côté à une extrémité de l'attache 30, et par son côté opposé à une fixation 50 fixée sur une paroi interne 14 de l'enceinte 10. La paroi interne 14 est située dans l'enceinte 10 et définit 30 avec la paroi externe 12 un espace 13 inclus dans l'enceinte 10. La totalité du câble 40 est située dans cet espace 13, et donc à l'intérieur de l'enceinte 10. L'espace 13 est en communication avec le reste de l'enceinte 10, de telle sorte que la température moyenne dans l'espace 13 est égale à la température moyenne dans l'enceinte 10. La température 35 du câble 40 est donc la température moyenne de l'enceinte 10, et le câble 40 est soumis aux variations de température dans l'enceinte 10. 3064085 7 Comme représenté en figure 1A, le câble 40 forme une boucle dont une partie passe autour d'une fixation 50 fixée sur la paroi interne 14, l'extrémité de la boucle opposée à cette partie étant attachée par un point d'attache 43 à l'attache 30. La fixation 50 est donc solidaire d'une paroi de 5 l'enceinte 10. L'attache 30 coulisse dans un oeil fixé sur la paroi interne 14, puis passe par un trou au travers de la paroi externe 12 puis par le sommet d'une tige qui s'étend vers l'extérieur depuis la paroi externe 12, et redescend pour rejoindre le bord de la trappe 20 opposé à la charnière 22. 10 La fixation 50 est un cylindre ou une poulie présentant un diamètre non-nul, de telle sorte que la boucle formée par le câble 40 délimite une surface non-nulle. Initialement, la température dans l'enceinte 10 est inférieure à la température de fin de transformation martensitique Mf. 15 Si la température dans l'enceinte 10 augmente au-dessus de la première température seuil Ts1 (du fait notamment du rayonnement solaire, ou d'une source de chaleur interne à l'enceinte), la structure de l'alliage à mémoire de forme passe de martensite en austénite. Le câble 40 reprend alors brusquement sa longueur avant élongation, en se 20 contractant jusqu'à sa longueur au repos (géométrie de repos). Le câble 40 tire ainsi sur l'attache 30 et agit à l'encontre du poids exercé par la gravité sur la trappe 20. La trappe 20 s'ouvre alors, et de l'air extérieur entre dans l'enceinte. Cet air extérieur étant plus froid que l'air à l'intérieur de l'enceinte 10, l'enceinte 10 se refroidit. 25 Cette situation, où la trappe 20 est dans sa seconde position, est illustrée en figure 1B. Sur la figure 1B, le cercle en pointillés C représente la position du point d'attache 43 du câble 40 à l'attache 30 avant l'ouverture de la trappe 20, c'est-à-dire tel qu'en figure 1A. 30 Lorsque la température dans l'enceinte 10 baisse en dessous de la seconde température seuil Ts2 qui est égale à la température de fin de transformation martensitique Mf, la structure de l'alliage en mémoire de forme redevient de la martensite auto-accommodée. La rigidité (module d'Young E) de la martensite auto-accommodée 35 étant inférieure à la rigidité de l'austénite, la force exercée par la trappe 20 due à son poids (la trappe 20 joue le rôle de système de rappel 60, qui 3064085 8 utilise la gravité) devient supérieure à la force exercée par le câble 40 (la masse de la trappe 20 ayant été volontairement calibrée ainsi). Par exemple, pour un alliage TiNi, le module d'Young de l'austénite est compris entre 70 GPa (Giga Pascals) et 100 GPa, tandis que le module 5 d'Young de la martensite est compris entre 20 GPa et 35 GPa. Ainsi, sous l'action de son poids, la trappe 20 est refermée, et l'air extérieur ne pénètre plus dans l'enceinte 10 pour la refroidir. Ainsi, on régule la température dans l'enceinte 10 autour d'une valeur comprise entre la température de fin de transformation 10 martensitique Mf et la température de fin de transformation austénitique Af, cette valeur étant la température limite Tlim. La première position correspond à la position fermée de la trappe 20 et la seconde position correspond à la position ouverte de la trappe 20. On comprend donc que le dispositif d'actionnement selon l'invention 15 est un système asservi, c'est-à-dire qu'il effectue une régulation en boucle fermée. En effet, la température dans l'enceinte 10 agit sur le dispositif d'actionnement (par l'intermédiaire du câble 40 en alliage à mémoire de forme) qui lui-même agit sur cette température, qui à son tour agit sur le câble 40 et le dispositif d'actionnement (par l'intermédiaire du système de 20 rappel 60). Le fait que le câble 40 forme une boucle fermée délimitant une surface non-nulle entre la fixation 50 et l'attache 30, comme représenté en figure 1A et 1B, présente l'avantage que l'amplitude d'ouverture de la trappe est supérieure par rapport au cas le câble 40 est rectiligne et 25 attaché par sa première extrémité à la fixation 50 et par sa seconde extrémité à l'attache 30. En effet, la boucle formant sensiblement un triangle isocèle de base « a » et de hauteur « h », une diminution de longueur de L1 à L2 du câble 40 (périmètre du triangle) entraîne une diminution de hauteur de h1 à h2 comme suit : h2 (L2-2a)L2 30 (1) h1 (L1-2a)L1 Lorsque a = 0, on a h2/h1 = L2/14, ce qui signifie que l'amplitude de déplacement de l'attache 30 est identique que le câble soit rectiligne ou replié une fois sur lui-même. Hormis ce cas, on a toujours : (L2-20 L2 REVENDICATIONS1. Dispositif d'actionnement d'un mécanisme présentant une première position et une seconde position et permettant de modifier la température d'une enceinte (10), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un câble (40) en alliage à mémoire de forme situé dans ladite enceinte (10) et relié par une attache (30) audit mécanisme et par une fixation (50) à une paroi de ladite enceinte (10), et un système de rappel (60) apte à fonctionner en opposition avec ledit câble (40), ledit câble (40) et ledit système de rappel (60) étant configurés de telle sorte que ledit dispositif fait passer ledit mécanisme de ladite première position à ladite seconde position lorsque la température dans ladite enceinte (10) devient supérieure à une première température seuil Ts1, et qu'il fait passer ledit mécanisme de ladite seconde position à ladite première position lorsque la température dans ladite enceinte (10) devient inférieure à une seconde température seuil Ts2 inférieure à ladite première température seuil Ts1, de telle sorte que ledit dispositif fonctionne comme une régulation en boucle fermée de la température dans ladite enceinte (10). 2. Dispositif d'actionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit câble (40) forme une boucle fermée délimitant une surface non-nulle. 3. Dispositif d'actionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fixation (50) est constituée d'une pluralité de N fixations (50n), ladite boucle passant autour de chacune desdites N fixations (50n) et formant sensiblement un polygone dont les sommets sont lesdites N fixations (50n) et ladite attache (30). 4. Dispositif d'actionnement selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite fixation (50) est constituée de deux fixations (50A, 50B), ladite boucle passant autour de chacune desdites fixations (50A, 50B) et formant sensiblement un triangle dont les sommets sont lesdites fixations (50A, 50B) et ladite attache (30). 5. Dispositif d'actionnement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit câble (40) forme en outre au moins une sous- boucle passant directement autour d'une ou plusieurs des fixations (50n, 50A, 50B) sans passer par ladite attache (30). 3064085 18 6. Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit mécanisme est une trappe (20) apte à obturer un orifice (15) de ladite enceinte (10), ladite première position et ladite seconde position étant la position d'obturation et de 5 dégagement dudit orifice (15) par ladite trappe (20), respectivement. 7. Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit système de rappel (60) utilise la gravité. 8. Dispositif d'actionnement selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit système de rappel (60) comprend un élément élastique (62). 9. Dispositif d'actionnement selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit élément élastique (62) est un ressort.