Brevet FR3101000A1 — publié le 20210326

Procédé de fusion d’un corps au moyen d’une onde ultrasonore Procédé comportant l’alimentation électrique d’au moins un transducteur d’onde (25) pour synthétiser une onde ultrasonore de surface se propageant dans un support (10) jusqu’à un corps (15) disposé sur une face du support, au moins une partie de l’énergie d’alimentation électrique étant convertie sous forme de chaleur par le transducteur, l’énergie électrique alimentant le transducteur étant suffisante pour que la chaleur et l’énergie de l’onde ultrasonore de surface induisent : - la fusion du corps lorsque le corps est à l’état solide, et/ou - le maintien du corps à l’état liquide lorsque la température du support est inférieure à la température de solidification du corps. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de fusion d’un corps au moyen d’une onde ultrasonore La présente invention concerne un procédé pour fondre un corps disposé sur une surface au moyen d’une onde de surface ultrasonore, et de préférence pour déplacer le corps fondu sur la surface. Dans des domaines variés, il est nécessaire de s’affranchir des effets liés à l’accumulation d’un liquide sur une surface, et à la solidification de ce liquide lorsque la température de l’environnement et/ou la température de la surface est inférieure à la température de solidification du liquide. Par exemple, dans le domaine automobile, en conditions hivernales, il est nécessaire de dégivrer le miroir d’un rétroviseur, un pare-brise ou une lunette arrière d’un véhicule pour assurer une conduite sûre. Une technique de dégivrage connue consiste à souffler de l’air chaud sur la face du pare-brise opposée à celle sur laquelle une couche de givre et/ou de glace s’est déposée. Cependant, le temps de dégivrage requis par une telle technique est particulièrement élevé. Pour dégivrer une lunette arrière, il est connu d’y disposer, en masse ou en volume, un filament métallique suivant un trajet formé de lignes régulièrement espacées. La circulation d’un courant électrique au sein du filament génère un échauffement par effet Joule, qui résulte en une fusion de la couche de givre et/ou de glace à proximité du filament sous forme d’un film d’eau, puis en l’évaporation du film d’eau. Cependant, un tel filament limite le champ de vision arrière accessible au conducteur du véhicule. En outre, la couche de givre et/ou de glace comporte généralement des particules qui restent au contact du support une fois le film d’eau évaporé. Il est alors nécessaire de procéder fréquemment au nettoyage de la lunette arrière, ce qui s’avère fastidieux. La formation de givre et/ou de glace perturbe aussi le fonctionnement de capteurs. Les véhicules automobiles modernes comportent généralement un ou plusieurs systèmes d’aide à la conduite qui mettent en œuvre de nombreux capteurs, par exemple des capteurs optiques, tel qu’un lidar pour évaluer une distance entre le véhicule et un objet, ou des sondes, par exemple une sonde Pitot. Afin que ces capteurs puissent fournir des informations en temps réel, et avec une fréquence d’acquisition de plusieurs hertz, il est nécessaire que les temps de dégivrage soient faibles. En outre, l’intégration de moyens pour évacuer le liquide après dégivrage s’avère difficile en pratique eu égard à la contrainte de compacité requise pour intégrer les capteurs dans un véhicule. Il existe donc un besoin pour un nouveau procédé de mise en œuvre aisée, afin d’empêcher la formation d’un corps solide en surface d’un support ou d’évacuer le corps solide de ladite surface, le procédé pouvant s’appliquer à des supports de forme, de taille et de matériau constitutif variés. L’invention propose un procédé comportant l’alimentation électrique d’au moins un transducteur d’onde pour synthétiser une onde ultrasonore de surface se propageant dans un support jusqu’à un corps disposé sur une face du support, au moins une partie de l’énergie d’alimentation électrique étant convertie sous forme de chaleur par le transducteur, l’énergie électrique alimentant le transducteur étant suffisante pour que la chaleur et l’énergie de l’onde ultrasonore de surface induisent - la fusion du corps lorsque le corps est à l’état solide, et/ou - le maintien du corps à l’état liquide lorsque la température du support est inférieure à la température de solidification du corps. Comme cela apparaîtra clairement par la suite, le procédé selon l’invention est de mise en œuvre aisée. En particulier, il met en œuvre un transducteur d’onde, qui peut être disposé de manière à ne pas perturber le fonctionnement d’un dispositif comportant le support, ou un utilisateur qui, par exemple, est amené à regarder régulièrement à travers le support. Au moins une partie de l’énergie électrique alimentant le transducteur est convertie en l’énergie de l’onde de surface ultrasonore. De préférence, plus de 5% de l’énergie électrique alimentant le transducteur est convertie en l’énergie de l’onde de surface ultrasonore. Une partie de l’énergie électrique alimentant le transducteur est convertie sous forme de chaleur par le transducteur. Elle est transférée au corps, par conduction dans le support et/ou par rayonnement. De préférence, le transducteur comporte des électrodes alimentées électriquement et au contact d’un matériau piézoélectrique. Lors de la conversion de l’énergie électrique par le transducteur, la chaleur peut résulter de l’échauffement des électrodes par effet Joule et/ou de l’échauffement par déformation du matériau piézoélectrique lors du passage d’un courant électrique dans les électrodes et/ou de la dissipation du support par vibration mécanique. La chaleur peut représenter plus de 2 %, voire plus de 5 %, voire plus de 10 %, voire plus de 30 %, voire plus de 40 % de l’énergie électrique alimentant le transducteur. La part de l’énergie électrique convertie en chaleur peut dépendre notamment de la fréquence fondamentale de l’onde ultrasonore, de la largeur et de l’épaisseur des électrodes, du ou des la nature des métaux utilisés pour constituer les électrodes, du matériau piézoélectrique ou du support. Par exemple, l’homme du métier sait réduire la part de l’énergie électrique convertie en chaleur par effet Joule en augmentant la section transverse des électrodes et en choisissant un métal constituant l’électrode de haute conductivité électrique. Par ailleurs, l’homme du métier sait déterminer la largeur des électrodes afin de définir la fréquence fondamentale de l’onde ultrasonore. Il sait notamment que la largeur des électrodes, et donc leur section, diminue avec la fréquence, notamment lorsque les électrodes forment des peignes interdigités. Par ailleurs, l’homme du métier sait aussi que la dissipation du support par vibration mécanique augmente généralement avec la fréquence fondamentale de l’onde ultrasonore. La somme de la puissance calorifique et de la puissance de l’onde ultrasonore, générée par conversion de la puissance électrique d’alimentation par le transducteur est de préférence comprise entre 1 milliwatt et 500 watts. L’homme du métier sait aisément adapter la puissance d’alimentation électrique optimale selon la distance à laquelle le corps est situé par rapport au transducteur. De préférence, la somme de l’énergie transférée à l’onde de surface ultrasonore et de l’énergie dissipée sous forme de chaleur représente plus de 90 %, voire sensiblement 100 % de l’énergie produite par le transducteur. Le transducteur peut définir un organe de chauffage résistif, le procédé comportant le chauffage du corps au moyen du transducteur. Avantageusement, la fusion du corps ou le maintien du corps à l’état liquide est facilité. De préférence, l’énergie de l’onde de surface ultrasonore est en outre suffisante pour induire le déplacement du corps à l’état liquide sur la face du support. Avantageusement, le procédé peut ainsi être mis en œuvre pour nettoyer le support du corps qui le revêt. La puissance de l’onde de surface ultrasonore peut être comprise entre 1 milliwatt et 500 watts. De préférence, l’énergie de l’onde de surface est en outre suffisante pour induire le déplacement du corps à l’état liquide sur la face du support selon la direction de propagation de l’onde de surface en l’absence de force externe. En particulier, le déplacement du corps peut s’opérer dans une variante où une force externe appliquée sur le corps est orientée dans un sens sensiblement contraire, notamment opposé ou perpendiculaire, au sens de propagation de l’onde de surface. Par « force externe », on entend toute force différente de la force acoustique induite par l’onde de surface ultrasonore. Le poids du corps ou une force aérodynamique induite par l’écoulement d’un fluide sur le corps sont des exemples de force externe. Le déplacement du corps à l’état liquide peut notamment résulter d’effets acoustiques nonlinéaires de streaming acoustique et/ou de pression de radiation induits par l’onde de surface ultrasonore. Afin d’assurer une fusion optimale du corps ou un maintien du corps à l’état liquide, la fréquence fondamentale de l’onde de surface ultrasonore est de préférence comprise entre 0,1 MHz et 1000 MHz, de préférence comprise entre 10 MHz et 100 MHz, par exemple égale à 40 MHz. L’amplitude de l’onde ultrasonore de surface peut être comprise entre 1 picomètre et 500 nanomètres. Elle peut dépendre notamment de la fréquence fondamentale de l’onde acoustique. Elle correspond au déplacement normal de la face du support sur laquelle se propage l’onde de surface ultrasonore et peut être mesurée par interférométrie laser. L’onde de surface ultrasonore peut être une onde de Rayleigh ou une onde de Lamb. En particulier, elle peut être une onde de Rayleigh lorsque le support présente une épaisseur supérieure à la longueur d’onde de l’onde de surface ultrasonore. Une onde de Rayleigh est privilégiée car une proportion maximale de l’énergie de l’onde est concentrée sur la face du support sur laquelle elle se propage, et peut être transmise au corps. Le corps peut comporter une partie à l’état solide et une partie à l’état liquide. Par exemple, le corps peut être de l’eau et être formé d’une portion givrée, glacée ou enneigée et d’une portion liquide au contact de la portion givrée, glacée ou enneigée respectivement. Le corps à l’état liquide peut se présenter sous la forme d’au moins une goutte ou d’au moins un film. Par « film », on entend une pellicule mince formée sur le support. Le film peut être continu ou discontinu. Le corps peut être aqueux. En particulier, il peut être de l’eau de pluie ou de l’eau de rosée. L’eau de pluie et/ou l’eau de rosée peut notamment contenir des particules. Une eau de rosée forme une buée en surface d’un support. Elle résulte de la condensation sur le support, dans des conditions ad hoc de pression et de température, de l’eau sous forme vapeur contenue dans l’air. Le corps peut avoir été déposé par condensation avant de solidifier sur le support. Le corps à l’état solide peut être choisi parmi un givre, de la glace et de la neige. Le corps à l’état liquide peut être une buée. Un « givre » est formé de gouttes d’eau ayant solidifiées avant d’avoir été déposées sur le support. La « glace » est formée de gouttes d’eau ayant condensé sur le support puis ayant solidifié sur le support. Le corps peut être distant du transducteur. Le support peut être en tout matériau apte à propager une onde de surface ultrasonore. De préférence, il est en un matériau présentant un module d’élasticité supérieur à 0,1 MPa, par exemple supérieur à 10 MPa, voire supérieur à 100 MPa, voire même supérieur à 1000 MPa, voire encore supérieur à 10000 MPa. Un matériau présentant un tel module d’élasticité présente une rigidité particulièrement adaptée à la propagation d’ondes de surface ultrasonore. Le support peut être autoporteur, au sens où il peut se déformer, notamment élastiquement, sans rompre sous son propre poids. La face du support sur laquelle l’onde de surface longitudinale se propage peut être plane. Elle peut aussi être courbe, sous réserve que le rayon de courbure de la face soit supérieur à la longueur d’onde de l’onde de surface ultrasonore. La face peut être rugueuse. Les rugosités seront de préférence inférieures à la longueur d’onde fondamentale de l’onde de surface ultrasonore, afin d’éviter qu’elles n’affectent significativement leur propagation. Le support peut notamment se présenter sous la forme d’une plaque plane, ou présentant au moins une courbure selon une direction. L’épaisseur de la plaque peut être inférieure à 0,1 m, voire inférieure à 0,01 m. La longueur de la plaque peut être supérieure à 1 mm, voire supérieure à 1 cm, voire même supérieure à 1 m. Par « épaisseur du support », on considère la plus petite dimension du support mesurée selon une direction perpendiculaire à la surface sur laquelle se propage l’onde ultrasonore. Le support peut être disposé à plat par rapport à l’horizontale. En variante, il peut être incliné par rapport à l’horizontale d’un angle α supérieur à 10°, voire supérieur à 20°, voire supérieur à 45°, voire supérieure à 70°. Il peut être disposé verticalement. Le support peut être optiquement transparent, notamment à la lumière dans le visible ou à un rayonnement dans l’ultraviolet ou dans l’infrarouge. Le procédé est ainsi alors particulièrement adapté aux applications dans lesquelles l’amélioration du confort visuel d’un utilisateur observant son environnement à travers le support est recherchée. Le support peut être en un matériau choisi parmi les matériaux piézoélectriques, les polymères, en particulier les thermoplastiques, notamment le polycarbonate, les verres, les métaux et les céramiques. De préférence, le support est en matériau différent d’un matériau piézoélectrique. De préférence, le support est choisi dans le groupe formé par : - une surface automobile, par exemple choisie parmi un pare-brise d’un véhicule, un vitrage d’un rétroviseur, ou - une visière d’un casque, - une vitre d’un bâtiment, - un capteur, par exemple un capteur optique, un capteur thermique, un capteur acoustique ou un capteur de pression ou de vitesse, notamment une sonde, par exemple une sonde de Pitot, - une surface d’un dispositif optique, le dispositif optique étant par exemple choisi parmi un objectif d’une caméra, un verre d’une lunette de vue, et - un élément de protection d’un tel capteur. D’autres types de support sont envisageables. Notamment, le support peut être un substrat d’un laboratoire sur puce, notamment destiné à des applications microfluidiques. Le support peut être un câble électrique. Par exemple, dans la variante où le support est un câble électrique d’une ligne à haute tension électrique et/ou d’alimentation d’une voie ferrée, le procédé réduit le risque d’endommagement, voire de rupture du câble sous l’effet du poids de la glace accumulée sur le câble. Le support peut être un élément de la structure d’un aéronef, par exemple une aile, un fuselage ou un empennage. Le support peut encore être choisi parmi un élément d’un échangeur de chaleur, une installation de plomberie et un élément d’un système de ventilation. De tels supports présentent généralement des surfaces auxquelles il est difficile d’accéder pour évacuer les gouttes de liquide qui s’y déposent, par exemple par condensation, et qui peuvent se solidifier. Le procédé selon l’invention est donc particulièrement adapté à ce type de supports. Le support peut être un élément de stockage de nourriture, par exemple une paroi interne d’un réfrigérateur, ou une paroi exposée à la condensation d’un liquide pouvant solidifier. Par exemple, dans un réfrigérateur, la condensation des gouttes d’eau et leur solidification sur une paroi augmente l’échange thermique entre la paroi et le volume d’air frais du réfrigérateur, réduisant son rendement. Comme cela a déjà été illustré précédemment, le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre dans des applications ou des basses températures sont rencontrées. La température du support peut être inférieure à 0 °C, voire à -10 °C et de préférence le corps est aqueux. Le transducteur peut être fixé sur le support. En particulier, il peut être disposé sur un bord du support. Le transducteur peut recouvrir au moins partiellement le support, en particulier la face du support sur laquelle est disposée le corps. Le rapport entre l’aire du support couverte par le transducteur et l’aire de la face du support sur laquelle est disposée le corps peut être inférieure à 15%. Le corps peut être en contact de la face du support sur laquelle le transducteur est fixé, ou sur la face opposée à la face du support sur laquelle le transducteur est fixé. Le corps peut être en contact de la face du support sur laquelle le transducteur est fixé et un autre corps peut être en contact de la face sur laquelle est disposée le corps. Le transducteur peut générer directement l’onde de surface ultrasonore. En variante, il peut générer une onde guidée ultrasonore, qui se propage à l’interface entre le support et le transducteur, puis se transforme en l’onde de surface ultrasonore le long d’une portion du support disposée à distance du transducteur. Le transducteur peut être en contact direct avec le support ou avec une couche intermédiaire, par exemple formée de colle, disposée sur le support. De préférence, le transducteur comporte des première et deuxième électrodes formant respectivement des premier et deuxième peignes, les premier et deuxième peignes étant interdigités et étant disposés sur le support et/ou disposés au contact direct du support et/ou au contact d’un substrat intermédiaire en contact avec, notamment disposé sur, le support, le substrat étant en un matériau piézoélectrique. Le matériau piézoélectrique peut être choisi dans le groupe formé par le niobate de lithium, le nitrure d’aluminium, le titano-zircanate de plomb, l’oxyde de zinc, et leurs mélanges. Le matériau piézoélectrique peut être opaque à la lumière dans le visible. Dans une variante, le support est formé du matériau piézoélectrique et le transducteur comporte le support. Les premier et deuxième peignes sont de préférence disposés au contact du support. Dans une autre variante, le support est en un matériau différent d’un matériau piézoélectrique et les électrodes sont disposées sur le substrat intermédiaire. Les première et deuxième électrodes peuvent être déposées par photolithographie sur le support et/ou sur le substrat. Les première et deuxième électrodes peuvent être prises en sandwich entre le support et le substrat, qui de préférence présente une épaisseur supérieure, voire au moins deux fois supérieure, à la longueur d’onde fondamentale de l’onde guidée ultrasonore. En variante, le substrat peut être pris en sandwich entre le support et les première et deuxième électrodes, et présente de préférence une épaisseur inférieure à la longueur d’onde fondamentale de l’onde guidée ultrasonore. Par ailleurs, le procédé peut comprendre la protection du substrat piézoélectrique au moyen d’un organe de protection. En particulier, le transducteur peut être logé dans une chambre définie par l’organe de protection et le support. Au moins une, voire toutes les faces du substrat exemptes des première et deuxième électrodes peuvent être en contact avec l’organe de protection. Les premier et deuxième peigne peuvent comporter de préférence une base à partir de laquelle s’étend une rangée de doigts, les doigts étant de préférence parallèle les uns aux autres. Les doigts peuvent présenter une largeur comprise entre la longueur d’onde fondamentale de l’onde ultrasonore divisée par 8 et la longueur d’onde fondamentale de l’onde ultrasonore divisée par 2. La largeur des doigts détermine en partie la fréquence fondamentale de l’onde de surface ultrasonore. Par ailleurs, une faible largeur de doigt augmente la résistance électrique du transducteur, qui peut se traduire par un échauffement qui peut participer à la fusion du corps ou au maintien du corps à l’état liquide. Par ailleurs, l’espacement entre deux doigts consécutivement adjacents d’une rangée du premier peigne, respectivement du deuxième peigne, peut être comprise entre la longueur d’onde fondamentale de l’onde ultrasonore divisée par 8 et la longueur d’onde fondamentale de l’onde ultrasonore divisée par 2. Le nombre de doigts interdigités peut être augmenté pour accroître le facteur de qualité du transducteur. Le substrat peut être une couche mince déposée, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur ou par dépôt physique en phase vapeur, sur le support. En variante, le substrat peut être autoporteur, c’est-à-dire suffisamment rigide pour ne pas fléchir sous l’effet de son propre poids. Le substrat autoporteur peut être fixé, par exemple collé, sur le support. Le corps est éloigné du transducteur. La portion du corps la plus éloignée du transducteur peut être à une distance au plus de 1 mètre. Par ailleurs, le procédé comporte de préférence l’alimentation électrique du transducteur. L’alimentation électrique du transducteur peut être opérée au moyen d’un générateur électrique relié électriquement au conducteur et délivrant une puissance comprise entre 200 milliwatts et 500 watts. Dans un mode de mise en œuvre préféré, le procédé est mis en œuvre pour désembuer et/ou dégivrer le support choisi dans le groupe formé par une surface automobile, une visière d’un casque, une surface d’un dispositif optique, et un élément de protection d’un tel dispositif optique. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente de manière schématique, selon une vue en perspective, un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon un premier mode de mise en œuvre, la figure 2 est une coupe transversale du dispositif illustré sur la figure 1, la figure 3 représente de manière schématique un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention selon un deuxième mode de mise en œuvre, la figure 4 représente de manière schématique, et selon une vue en coupe transversale, un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention selon un troisième mode de mise en œuvre, la figure 5 représente de manière schématique, selon une coupe transversale, un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention selon un quatrième mode de mise en œuvre, les figures 6 a) à c) sont des photographies illustrant le dégivrage d’un support en verre recouvert d’un givre au moyen du procédé selon l’invention, et les figures 7 a) à c) sont des photographies illustrant le dégivrage d’un support en verre recouvert de glace au moyen du procédé selon l’invention. Les éléments constitutifs du dessin n’ont pas été représentés à l’échelle par souci de clarté. Procédé comportant l’alimentation électrique d’au moins un transducteur d’onde (25) pour synthétiser une onde ultrasonore de surface se propageant dans un support (10) jusqu’à un corps (15) disposé sur une face du support, au moins une partie de l’énergie d’alimentation électrique étant convertie sous forme de chaleur par le transducteur, l’énergie électrique alimentant le transducteur étant suffisante pour que la chaleur et l’énergie de l’onde ultrasonore de surface induisent : - la fusion du corps lorsque le corps est à l’état solide, et/ou - le maintien du corps à l’état liquide lorsque la température du support est inférieure à la température de solidification du corps. Procédé selon la revendication 1, le corps à l’état liquide se présentant sous la forme d’au moins une goutte ou d’au moins un film. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, l’énergie de l’onde ultrasonore de surface étant en outre suffisante pour induire le déplacement du corps à l’état liquide sur la face du support. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le corps étant aqueux, notamment est de l’eau de pluie ou l’eau de rosée. Procédé selon la revendication précédente, le corps à l’état solide étant choisi parmi un givre, de la glace et de la neige ou le corps à l’état liquide étant une buée. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la température du support étant inférieure à 0 °C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la fréquence fondamentale de l’onde de surface ultrasonore étant comprise entre 0,1 MHz et 1000 MHz, de préférence comprise entre 10 MHz et 100 MHz, par exemple égale à 40 MHz. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le support étant transparent ou translucide, notamment à la lumière dans le visible ou à un rayonnement dans l’ultraviolet ou dans l’infrarouge. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le support étant en un matériau choisi parmi les matériaux piézoélectriques, les polymères, en particulier les thermoplastiques, les verres, les métaux et les céramiques. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le support étant choisi dans le groupe formé par - une surface automobile, par exemple choisie parmi un pare-brise d’un véhicule, un vitrage d’un rétroviseur, - une visière d’un casque, - une vitre d’un bâtiment, - un capteur, par exemple un capteur optique, un capteur thermique, un capteur acoustique ou un capteur de pression ou de vitesse, notamment une sonde, par exemple une sonde de Pitot, - une surface d’un dispositif optique, le dispositif optique étant par exemple choisi parmi un objectif d’une caméra, un verre d’une lunette de vue, et - un élément de protection d’un tel capteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le transducteur étant en contact direct avec le support ou avec une couche intermédiaire, par exemple formée de colle, disposée sur le support. Procédé selon la revendication précédente, le transducteur comportant des première (35) et deuxième (40) électrodes formant respectivement des premier (45) et deuxième (50) peignes, les premier et deuxième peignes étant interdigités et disposés au contact direct du support et/ou au contact d’un substrat intermédiaire en contact avec, notamment disposé sur, le support, le substrat étant en un matériau piézoélectrique, en particulier choisi dans le groupe formé par le niobate de lithium, le nitrure d’aluminium, le titano-zircanate de plomb, l’oxyde de zinc, et leurs mélanges. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le transducteur définissant en outre un organe de chauffage résistif, le procédé comportant le chauffage du corps au moyen du transducteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le transducteur générant une onde guidée ultrasonore se propageant entre le support et le transducteur, l’onde guidée se transformant en l’onde de surface dans une zone du support disposée à distance du transducteur. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, mis en œuvre pour désembuer et/ou dégivrer le support qui est de préférence tel que selon la revendication 10.