Brevet FR3065582A1 — publié le 20181026

Enregistreur de données autonome alimenté par générateur à déphasage thermique Note de rappel technique Pour rappel, une cellule Peltier est un composant standard du marché comportant 2 plans (faces) dites face chaude et face froide et 2 bornes d'alimentation (positif et négatif). Dans une utilisation de type « refroidissement », ce composant convertit la tension entre les bornes d'alimentation en différence de température entre les 2 faces. Ce mode est utilisé pour refroidir des composants électroniques comme des processeurs ou des capteurs d'image. Dans une utilisation de type « récupération d'énergie », ce composant délivre une tension entre les 2 bornes électriques proportionnelle à la différence de température entre les 2 faces. Le rendement est très faible, en général quelques dizaines de milliwatts. Objet de l'innovation (F/G. / et FIG. 2) Dans cette innovation, l'objet principal est la conception d'un déphaseur thermique obtenu par confinement d'un bloc à accumulation thermique associés à divers éléments en vue de produire de l'énergie électrique. Le but est d'exploiter uniquement les variations de la température ambiante pour générer de l'électricité : - Un bloc (A) en matériau de « capacité thermique massique » et densité élevées (par exemple de l'acier inoxydable) et de masse Ma est disposé sur une face de la cellule Peltier (C), - L'ensemble bloc (A) + cellule Peltier (C) est confiné et isolé thermiquement dans une enceinte (D), seule la face de la cellule Peltier (C) opposée au bloc (A) reste libre et apparente, - Un bloc (B), en contact thermique avec le milieu ambiant, en matériau de « capacité thermique massique » et densité de préférence faibles, de masse Mb inférieure à Ma et de conductivité élevée (par exemple de l'aluminium ou du cuivre) est disposé sur la face apparente de la cellule Peltier (C), - Les sorties électriques + et - (hl) de la cellule Peltier (C) sont reliées à un système électronique (E) disposant (pour une application typique) de : o Une interface bipolaire chargée de générer une tension régulée de polarité constante, o Un système d'acquisition de données numériques intelligent, o Une interface avec les capteurs (température, pression ou autres...), o Un système d'enregistrement et/ou transmission de données. Principe de fonctionnement : - A l'origine, les blocs (A) et (B) sont à température identique ou proche, - Lorsque la température ambiante varie, le bloc (B) disposant d'une faible inertie thermique et d'une bonne conductivité de contact avec le milieu ambiant la suit rapidement, - Le bloc (A) isolé thermiquement et présentant une inertie thermique importante grâce à sa « capacité thermique massique » élevée associée à une masse appropriée varie beaucoup plus lentement en température, Page 2 3065582 - La différence du temps de réponse des 2 blocs induit un « déphasage thermique» résultant en une différence de température entre les 2 faces de la cellule Peltier. Cette différence de température a pour conséquence l'apparition d'une tension électrique en sortie de la cellule Peltier, - La production d'électricité sera assurée tant que la variation de température ambiante est telle que : o Sa période est plus courte que la constante de temps résultant des inerties thermiques respectives des blocs, o L'amplitude des variations par rapport à l'intégrale de la température sur une durée correspondant au temps d'inertie thermique du système est suffisant, - Les variations autour de la moyenne de température présente sur le bloc A induisent des changements de polarité électrique en sortie de la cellule Peltier (C) (ce qui est un fonctionnement complètement inhabituel) traitées par l'électronique (El) qui doit disposer d'un redresseur à semi-conducteur classique (diodes), - Lorsque la température ambiante ne varie plus, le système ne fournit de l'électricité que pendant une durée proche de la constante de temps thermique ; du courant est généré de nouveau dès que la température ambiante varie, quel qu'en soit le sens, - Si la température externe reste constante pendant une durée supérieure à l'inertie thermique du déphaseur, la température finit par s'égaliser entre les blocs (A) et (B) et il n'y a plus de production d'énergie électrique par la cellule Peltier (C). Contrairement aux systèmes de récupération d'énergie existants pour lesquels c'est uniquement la différence de température entre 2 milieux fixés qui est utilisée (il y a généralement un côté froid et un côté chaud et doivent tous deux avoir la meilleure conductivité possible sans confinement nuisant au rendement), l'innovation proposée ne peut fonctionner que lorsque des variations de la température ambiante sont présentes. Le confinement thermique du bloc (A) ne permet pas un fonctionnement permanent « classique » car il n'y a plus de production d'électricité après le délai correspondant à l'inertie thermique du déphaseur. A titre d'exemple, un système alimenté par ce moyen ne pourrait pas fonctionner en plein air (variation de température insuffisantes en amplitude et /ou de période trop longue) et un système conventionnel ne pourrait pas fonctionner dans un milieu confiné présentant des variations/inversions de température de période supérieure à quelques dizaines de secondes et une valeur moyenne de température constante. L'inertie thermique du système est donnée principalement par : - Le produit capacité thermique massique par masse du bloc A (tous 2 élevées), - La résistance thermique liée au confinement du bloc A vers milieu ambiant (élevée), - Le produit capacité thermique massique par masse du bloc B (tous 2 REVENDICATIONS1. Dispositif de déphasage thermique entre les 2 faces d'une cellule Peltier caractérisé en ce qu'il comprend (FIG. 1 et FIG. 2): a. Un bloc (A) de « capacité thermique massique Ctha » élevée et de masse Ma, b. Une enceinte de confinement (D) avec isolation thermique contenant et isolant thermiquement le bloc (A) à l'exception d'une surface plane (al), c. Une cellule à effet Peltier (C) avec une face (cl) en contact avec la surface (al) du bloc (A), l'autre face (c2) à l'extérieur de l'enceinte de confinement (D), d. Un bloc (B) de « capacité thermique massique Cthb » réduite, de masse Mb inférieure à Ma et de conductivité thermique élevée en contact avec la face (c2) de la cellule à effet Peltier (C) externe à l'enceinte (D). 2. Dispositif selon la revendication 1, pour lequel les sorties électriques + et - de la cellule Peltier sont reliées à un dispositif électronique (El) capable de traiter les polarités positive et négative pour fournir une tension stabilisée de polarité constante pouvant alimenter en énergie un dispositif électronique intelligent, 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel une image de la tension issue de la cellule Peltier est conditionnée pour offrir une indication d'autonomie à un système électronique externe, 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel une unité centrale électronique (E2) alimentée par ce dispositif assure l'interface avec des capteurs de grandeur physique et en assure l'enregistrement et/ou la transmission des données numérisées, 5. Dispositif selon les revendications 3 et 4, dans lequel la tension image du couple déphaseur thermique / cellule Peltier est utilisée pour déclencher la prise de mesure, l'enregistrement ou le transfert des mesures avant une rupture prévisible de l'alimentation par ce moyen, 6. Dispositif dans lequel l'un ou plusieurs quelconques des dispositifs selon les revendications là 5 sont mis en parallèle ou en mode collaboratif pour augmenter le nombre de mesures, l'autonomie ou les performances, 7. Dispositif selon les revendications 1 à 6 adapté pour être utilisé dans un milieu présentant des températures variant fortement pendant une phase durant laquelle des paramètres issus de capteurs doivent être enregistrées et/ou transmis, 8. Dispositif utilisant une cellule Peltier pour générer de l'énergie électrique dans une enceinte thermique de type autoclave de stérilisation ou autre à partir des variations de température dans l'enceinte, en vue d'alimenter un dispositif électronique à l'intérieur de la dite enceinte, 9. Dispositif selon les revendications 1 à 2 adapté pour une utilisation spécifique dans une enceinte thermique de type autoclave de stérilisation ou autre, permettant un fonctionnement autonome sans source d'énergie autre que les variations de température dans l'enceinte, 10. Dispositif selon les revendications 1 à 2 adapté pour une utilisation spécifique dans une enceinte thermique de type autoclave de stérilisation ou autre, associé à une source d'énergie d'appoint telle qu'une pile, accumulateur ou super condensateur. Page 5 3065582 11. Dispositif selon les revendications 1 à 9 dans lequel les éléments constituant le déphaseur thermique sont déclinés en plusieurs gammes et sont spécifiquement dimensionnés et adaptés pour générer de l'énergie pour chaque type de cycle normalisé de sérialisation, 12. Système intégré d'enregistrement de données complet et autonome pour autoclave comprenant : a. Toute combinaison des dispositifs selon revendications 1 à 10, b. Dont une enceinte (D) étanche à la pression et aux liquides, et de manière générale aux conditions de fonctionnement d'un autoclave, c. Un capteur étanche de température (G) mesurant la température externe à travers une paroi prévue à cet effet, d. Un capteur de pression (H) avec sonde étanche donnant sur l'extérieur de l'enceinte (D), e. Système électronique (El) intégré dans l'enceinte (D), délivrant une tension régulée et de polarité constante à partir de l'énergie fournie par la cellule Peltier (C), f. Système électronique (E2) alimenté par (El) et intégré dans l'enceinte (D), effectuant le conditionnement et l'enregistrement des grandeurs issues des capteurs de température (G) et de pression (H), g. Unité de transmission sans fil (F) reliée au système électronique (E2) permettant la programmation du système d'enregistrement et la lecture des données enregistrées en temps réel ou différé. Page 6