INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La présente invention concerne essentiellement un cadre de préférence en matière thermoplastique injectable, de faible épaisseur, par exemple quelques millimètres, évidé en son milieu, de forme géométrique préférentiellement carrée ou rectangulaire, percé de trous préférentiellement circulaires pour permettre la circulation des fluides, équipé d’injecteurs et de collecteurs permettant l’entrée du fluide du puits d’injection dans le compartiment de cellule et la sortie des fluides réactionnels du compartiment de cellule dans le puits de collecte, équipé de plusieurs joints permettant d’assurer l’étanchéité fluidique entre l’intérieur du réacteur et l’extérieur, et comprenant un ensemble de plots ou dents destinés à assurer une distribution homogène des fluides en écoulement dans chaque compartiment de chaque cellule. En effet, la difficulté pour l’homme de l’art consiste à assurer, en tout point de chaque compartiment de chaque cellule du réacteur d’électrolyse de l’eau, un débit d’eau homogène et constant, de manière à alimenter et refroidir correctement chaque électrode de chaque compartiment de chaque cellule. Lorsqu’aucune précaution particulière n’est prise pour contrôler la répartition fluidique dans les compartiments des cellules, la distribution d’eau à l’intérieur de chaque cellule mais aussi d’une cellule à l’autre n’est pas optimale, c’est-à-dire que le flux d’eau traversant chaque compartiment de chaque cellule est hétérogène et varie d’un endroit à l’autre. Par exemple, dans le cas d’une entretoise rectangulaire munie d’un point d’entrée sur l’un de ses quatre coins et d’un point de sortie diagonalement opposé, le flux d’eau aura tendance à circuler le long du chemin hydraulique le plus court (celui qui présente la résistance hydraulique la plus faible), c’est-à-dire le long de la diagonale de l’entretoise. Dans ce cas, l’eau ne se répartit pas uniformément sur la surface électrochimique active, ce qui entraîne un fonctionnement hétérogène, une perte d’efficacité énergétique et un vieillissement accéléré du réacteur. De plus, le flux d’eau qui circule le long du chemin le plus court est rapide, ce qui tend à créer des turbulences hydrauliques, ce qui perturbe davantage le fonctionnement.
La présente invention décrit une entretoise qui permet de répondre à ces problèmes, et notamment d’assurer une circulation d’eau homogène en tout point de chaque compartiment de chaque cellule d’un module d’électrolyse de l’eau. L’homogénéité de la circulation d’eau permet par ailleurs, de manière indirecte, d’assurer le bon fonctionnement des cellules d’électrolyse dans son ensemble, de par le contrôle des pertes de charge d’injection. Une telle entretoise de cellule d’électrolyse de l’eau est en outre conçue pour pouvoir y loger un séparateur, par exemple une membrane d’électrolyse polymère.
L'entretoise peut être fabriquée en différents matériaux, par exemple des matériaux thermoplastiques pour les applications dites « basse température », comme c’est le cas d’une cellule de type membrane échangeuse de protons ou une cellule de type membrane échangeuse d’anions ou une cellule de type électrolyse alcaline.
L’entretoise selon l’invention est un cadre de préférence en matière thermoplastique injectable de faible épaisseur, préférentiellement de forme carrée ou rectangulaire, comprenant au moins une entrée et une sortie permettant une circulation d’eau au sein de la cellule d’électrolyse de l’eau.
D’une manière avantageuse, l’entrée peut comprendre un injecteur fluidique et un puits d’injection, et la sortie peut comprendre un puits de collecte et un collecteur fluidique. L’entretoise est évidée en son centre et possède un appui périphérique muni d’un joint d’étanchéité sur lequel est pressée le séparateur de manière à séparer la cellule en deux compartiments distincts, anodique et cathodique. L’évidement de l’entretoise est en communication fluidique avec les circuits anodiques et cathodique. L’injecteur fluidique relie en entrée le puits d’injection à la zone de distribution fluidique, éventuellement un par compartiment, et au moins un collecteur fluidique reliant en sortie la zone de distribution fluidique au puits de collecte. L’entretoise est caractérisée en ce que la zone de distribution fluidique comprend au moins un organe d’écoulement laminaire s’étendant le long d’un bord de l’évidement, c’est-à-dire le long de l’un des côtés intérieurs de l’entretoise en contact fluidique avec l’évidement central.
L’organe d’écoulement laminaire génère une pluralité de filets d’eau rectilignes.
Par ailleurs, l’espace de chaque compartiment situé entre les organes d’écoulement laminaire d’entrée et de sortie comporte une grille métallique dont le rôle est d’assurer le contact électrique perpendiculaire au plan des cellules individuelles et aussi de créer une perte de charge fluidique qui va elle aussi concourir à la parallélisation des filets d’eau en circulation dans le compartiment de la cellule.
Grâce à cet ensemble de caractéristiques fluidiques et mécaniques, l’entretoise objet de l’invention va permettre que les flux d’eau en circulation dans les deux compartiments de chaque cellule élémentaire s’écoulent de manière homogène le long de la surface active de chaque compartiment, ce qui assure un fonctionnement homogène et prolonge ainsi la durée de vie de la cellule d’électrolyse tout en maximisant l’efficacité énergétique du réacteur. L’entretoise objet de l’invention permet en outre d’assurer le même niveau d’homogénéité fluidique dans chaque compartiment de chaque cellule d’un réacteur électrochimique, quel que soit leur nombre. Les caractéristiques de l’entretoise sont indépendantes de sa taille. L’entretoise présente en effet des caractéristiques fluidiques, mécaniques et dimensionnelles adaptées à la taille de la cellule d’électrolyse.
L’évidement présent en entrée de chaque compartiment de cellule est agencé en regard de la surface active de la cellule. Après avoir pénétré dans le compartiment de la cellule, le flux d’eau laminaire s’écoule ainsi le long de cet évidement et opère ainsi un refroidissement homogène de la surface active de la cellule, par exemple la surface de l’une des électrodes. Un tel refroidissement se fait par échange de chaleur et la température de l’eau augmente donc au fur et à mesure de son écoulement le long de l’évidement. Le flux d’eau réchauffé sort par la suite de la cellule via la sortie située à l’opposé du point d’entrée.
La zone de distribution fluidique est agencée entre l’entrée et l’évidement et/ou entre l’évidement et la sortie. C’est au sein de la zone de distribution que le débit d’eau est homogénéisé, notamment grâce à l’organe d’écoulement laminaire. Celui-ci est disposé au plus proche de l’évidement. A titre d’exemple, lorsque la zone de distribution est agencée entre l’entrée et l’évidement, l’organe d’écoulement laminaire est disposé le long du bord de l’évidement correspondant au bord par lequel l’eau pénètre dans l’évidement. Cela permet d’avoir un flux d’eau laminaire directement formé dès l’entrée dans l’évidement.
Selon une caractéristique de l’invention, l’organe d’écoulement laminaire comprend une pluralité de dents, dont l’écartement forme des canaux configurés pour mettre en œuvre un écoulement rectiligne de filets d’eau. Autrement dit, les canaux sont formés entre deux dents disjointes. Les canaux sont de dimension réduite afin de créer une perte de charge qui concoure à la répartition homogène du débit d’eau le long du canal d’injection. Un canal est formé par deux dents adjacentes ayant des côtés préférentiellement parallèles ou sensiblement parallèles entre eux. Les dents font obstacle à l’écoulement d’eau et forcent celui-ci à circuler au sein des canaux, afin d’amorcer des lignes de fluide parallèle dans les compartiments. Le flux d’eau issu de l’entrée et/ou de l’évidement est donc réparti dans les différents canaux et ressort de ces derniers sous forme d’écoulement laminaire. D’une manière avantageuse, au moins une partie des canaux est configurée pour être orientée de manière parallèle à une direction d’écoulement du flux d’eau. D’une manière encore plus avantageuse, l’ensemble des canaux est orienté de manière parallèle à la direction d’écoulement du flux d’eau afin de renforcer son homogénéité après avoir traversé l’organe d’écoulement laminaire. Dans cette configuration, l’organe d’écoulement laminaire présente la forme d’un peigne.
Selon une caractéristique de l’invention, les dents de l’organe d’écoulement laminaire sont configurées pour assurer une résistance à l’encontre d’un appui au niveau de l’organe d’écoulement laminaire. En plus d’assurer un écoulement laminaire de l’eau, les dents assurent perpendiculairement au plan de l’entretoise une résistance mécanique compatible avec l’empilement de plusieurs cellules en série, potentiellement jusqu’à plusieurs dizaines voire plusieurs centaines. A titre d’exemple, c’est une hauteur de dent qui assure la résistance requise. En effet, une cellule d’électrolyse est intégrée au sein d’un module d’électrolyse comprenant plusieurs cellules d’électrolyse empilées les unes sur les autres. L’entretoise selon l’invention est donc intégrée au sein de cet empilement et de ce fait est plaquée contre au moins un appui adjacent. Les propriétés mécaniques des dents, notamment leur rigidité et leur résistance à la déformation, sont telles que lesdites dents ne sont pas déformées par l’appui résultant de l’empilement, ce qui permet de conserver les canaux intacts et opérationnels pour rendre le flux d’eau laminaire lorsque le réacteur est fermé et comprimé pour assurer l’étanchéité des cellules. L’appui en regard de l’organe d’écoulement laminaire permet par ailleurs de participer à une délimitation d’une section de passage des canaux.
Selon une caractéristique de l’invention, la zone de distribution comprend une chambre de distribution s’étendant entre l’une quelconque de l’entrée ou de la sortie et l’organe d’écoulement laminaire. La chambre de distribution participe à distribuer le flux d’eau jusqu’à l’ensemble de l’organe d’écoulement laminaire, c’est-à-dire le long du bord de l’évidement. La chambre de distribution assure ainsi que le flux circule par la suite sur l’ensemble de la surface de l’évidement, et donc que le débit d’eau local soit homogène et que le refroidissement de l’électrode se fasse uniformément sur toute sa surface.
Selon une caractéristique de l’invention, la chambre de distribution comprend une pluralité d’organes de déviation. Les organes de déviation peuvent présenter des formes diverses, l’essentiel étant qu’ils fassent obstacle au flux d’eau pour que celui-ci se disperse correctement au sein de l’intégralité de la chambre de distribution, et par la suite s’écoule à travers chaque canal de l’organe d’écoulement, en flux laminaire et de la manière la plus uniforme possible.
Selon une caractéristique de l’invention, la pluralité d’organes de déviation est configurée pour assurer une résistance à l’encontre d’un appui au niveau de la chambre de distribution. Tout comme les dents de l’organe d’écoulement laminaire, les organes de déviation ne sont pas déformés lorsqu’un appui est créé contre la chambre de distribution lors de l’empilement. Des espaces sont ainsi conservés au sein de la chambre de distribution afin que l’eau puisse toujours y circuler et être correctement distribuée.
Selon une configuration, le circuit électronique 36 présente une cartographie et comprend au moins un composant électronique 42, comme un capteur de température, de pression ou autres, ainsi que des lignes conductrices 44 reliées au composant électronique 42 et présentant une première section transversale dans un plan parallèle à la surface S32 du corps 32. La couche de protection 40 présente une surface libre S40 distante des composants électroniques 42 et des lignes conductrices 44.
Comme illustré sur la , chaque ligne conductrice 44 présente une première section transversale réduite. Selon un agencement, plusieurs lignes conductrices 44 peuvent être positionnées les unes à côté des autres en étant faiblement espacées entre elles. Selon un mode opératoire, les lignes conductrices 44, 44.1 à 44.5, 44.1’ à 44.5’ sont imprimées sur la couche support 38 par sérigraphie par exemple.
Le corps 32, la couche support 38, la couche de protection 40, les composants électroniques 42 et les lignes conductrices 44 ne sont pas plus décrits car ils peuvent être identiques à ceux de l’art antérieur.
Selon une application, un aéronef comprend au moins une pièce 30, comme illustré sur les figures 3 et 4.
Selon une particularité de l’invention, le circuit électronique 36 comprend au moins deux bornes de raccordement 46, 48 positionnées sur au moins une des lignes conductrices 44 et dans au moins une zone de raccordement 50, 50’.
Selon un premier agencement visible sur la , les deux bornes de raccordement 46, 48 sont positionnées dans la même zone de raccordement 50, un tronçon de circuit 52 étant isolé entre les deux bornes de raccordement 46, 48.
Selon un deuxième agencement visible sur la , les deux bornes de raccordement 46, 48 sont positionnées dans deux zones de raccordement 50, 50’ distinctes, un tronçon de circuit 52 étant isolé entre les deux bornes de raccordement 46, 48.
Selon une configuration, le circuit électronique 36 comprend plusieurs zones de raccordement 50, 50’, comportant chacune au moins une borne de raccordement 46, 48, réparties sur le circuit électronique 36 et permettant d’isoler entre elles des tronçons de circuit 52.
Selon un agencement visible sur la , le circuit électronique 36 comprend cinq lignes conductrices amont 44.1 à 44.5 positionnés en amont d’un tronçon de circuit 52, cinq lignes conductrices aval 44.1’ à 44.5’ positionnés en aval du tronçon de circuit 52, une première zone de raccordement 50 sécante avec les cinq lignes conductrices amont 44.1 à 44.5 comprenant pour chacune d’elles une borne de raccordement 46 amont ainsi qu’une deuxième zone de raccordement 50’ sécante avec les cinq lignes conductrices aval 44.1’ à 44.5’ comprenant pour chacune d’elles une borne de raccordement 48 aval.
Quel que soit le mode de réalisation, chaque borne de raccordement 46, 48 présente une deuxième section transversale, dans un plan parallèle à la surface S32 du corps 32, supérieure à deux fois la première section transversale d’une ligne conductrice 44 pour permettre un raccordement. Cette configuration permet de pouvoir raccorder aux bornes de raccordement 46, 48 un instrument externe ou un tronçon de circuit de réparation par exemple. A titre indicatif, chaque borne de raccordement 46, 48 se présente, en vue de dessus, sous la forme d’un carré avec un côté supérieur ou égal à 1 mm, de préférence de l’ordre de 2 mm, ou d’un cercle avec un diamètre supérieur ou égal 1 mm, de préférence de l’ordre de 2 mm.
De plus, lorsque la zone de raccordement 50, 50’ est sécante avec plusieurs lignes conductrices et comprend pour chacune d’elles une borne de raccordement 46, 48, les différentes bornes de raccordement 46, 48 sont plus espacées que les lignes conductrices 44 pour faciliter le raccordement d’un instrument externe ou d’un tronçon de circuit de réparation.
Selon un mode de réalisation, les bornes de raccordement 46, 48 présentent une épaisseur adaptée de sorte qu’elles affleurent à la surface libre S40 de la couche de protection. En variante, les bornes de raccordement 46, 48 sont recouvertes par la couche de protection 40.
En fonctionnement, le circuit électronique 36 peut comprendre au moins un défaut 54 comme une coupure d’une ligne conductrice et/ou un court-circuit par exemple, comme illustré sur la .
Selon un mode opératoire, un procédé de réparation dudit circuit électronique 36 comprend une étape de détection et/ou de localisation du défaut 54. Selon un premier mode de réalisation, le circuit électronique 36 est configuré pour réaliser un autotest afin de détecter et/ou de localiser le défaut 54. Selon un deuxième mode de réalisation, un équipement externe de détection et/ou de localisation, distinct du circuit électronique 36, est utilisé pour détecter et/ou localiser le défaut 54. Au moins une zone de raccordement 50, 50’ peut être utilisée pour raccorder l’équipement externe au circuit électronique 36 afin de réaliser l’étape de détection et/ou de localisation. A cet effet, les parties positionnées au-dessus des zones de raccordement 50, 50’ sont retirées pour dégager les bornes de raccordement 46, 48 si ces dernières sont recouvertes par la couche de protection 40.
Selon les premier et deuxième modes de réalisation, l’étape de détection et/ou de localisation du défaut 54 comprend une méthode de diagnostic par réflectométrie.
A la suite de l’étape de détection et/ou de localisation, le procédé de réparation comprend une étape d’identification, pour chaque défaut détecté, du tronçon de circuit 52 l’intégrant et, connaissant la cartographie du circuit électronique 36, des première et deuxième bornes de raccordement 46, 48 de chaque tronçon de circuit 52 identifié et de la (ou des) zone(s) de raccordement 50, 50’ correspondante(s).
Selon l’invention, comme détaillé par la suite, la portion de détection à base de germanium présente des contraintes mécaniques en tension dans le plan principal XY, et des contraintes mécaniques en compression orientées suivant l’axe vertical Z. Ces contraintes en tension horizontale du germanium de la portion de détection permettent au démodulateur de détecter dans la bande spectrale du proche infrarouge jusqu’à une longueur d’onde de coupure supérieure à 1.55µm (valeur de la longueur d’onde de coupure du germanium relaxé). De plus, par effet Poisson, la portion de détection subit une compression verticale.
Pour générer ces contraintes mécaniques, le démodulateur comporte une portion latérale périphérique, réalisée à base d’un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui du matériau de la portion de détection, et qui entoure la portion de détection dans le plan XY. Ainsi, à la suite de la réalisation de la portion latérale périphérique, les contraintes mécaniques sont générées dans la portion de détection.
De plus, la compression verticale de la portion de détection est mise à profit pour améliorer les performances du démodulateur. Pour cela, au lieu de disposer la ou les régions dopées de collection de manière coplanaire aux régions dopées de modulation, comme dans l’art antérieur, celles-ci sont agencées suivant une configuration verticale, tout en gardant une polarisation électrique à partir de la même face supérieure F1. Plus précisément, les régions dopées sont agencées de la manière suivante : au moins une région dopée affleure la face supérieure F1 et est située à proximité de la zone centrale. Elle est alors appelée ‘région dopée supérieure’. La ou les régions dopées supérieures sont dopées selon un premier type de conductivité ; au moins deux régions dopées sont situées à distance suivant l’axe vertical Z de la ou des régions dopées supérieures. Elles sont alors appelées ‘régions dopées inférieures’. Ainsi, la ou les régions dopées supérieures sont situées au-dessus suivant l’axe vertical Z des régions dopées inférieures. Elles sont dopées selon un deuxième type de conductivité opposé au premier type. Les régions dopées inférieures sont en contact électrique avec les électrodes correspondantes au moyen de vias conducteurs, lesquels peuvent être, soit distincts de la portion latérale périphérique, soit des parties de la portion latérale périphérique.
Ainsi, cet agencement vertical des régions dopées de collection et de modulation, au sein d’une portion de détection en compression verticale, permet notamment de réduire le courant d’obscurité entre la ou les régions dopées de collection et les régions dopées de modulation, du fait d’une augmentation de l’énergie de bande interdite indirecte de la portion de détection, améliorant ainsi les performances du démodulateur. De plus, il est possible de réduire la distance (verticale) entre la ou les régions dopées de collection et les régions dopées de modulation, ce qui contribue à améliorer ainsi le contraste de démodulation en AC ainsi que la bande passante. Dans le cas d’un photodétecteur matriciel, il est alors possible de réduire le pas pixel, améliorant ainsi la résolution du photodétecteur matriciel.
D’une manière générale, la ou les régions dopées de collection peuvent être les régions dopées supérieures, et les régions dopées de modulation sont alors les régions dopées inférieures. La configuration inversée est possible, où les régions dopées de collection sont les régions dopées inférieures, et les régions dopées de modulation sont les régions dopées supérieures.
Les figures 1A et 1B sont des vues schématiques et partielles, en coupe transversale ( ) et en vue de dessus ( ), d’un démodulateur photonique 1 assisté par courant selon un mode de réalisation, appartenant ici à une matrice de démodulateurs 1 planaires identiques.
Dans cet exemple, la portion de détection 10 comporte deux régions dopées supérieures 11 qui sont ici des régions dopées n+ de collection, et deux régions dopées inférieures 12 qui sont alors des régions dopées p+ de modulation. Par ailleurs, les régions dopées de modulation sont connectées aux électrodes de modulation M1 et M2 par des vias conducteurs 3 dédiés (donc distincts de la portion latérale périphérique 2) et réalisés à base de germanium. Par ailleurs, la face inférieure F2 est celle qui reçoit ici le rayonnement lumineux à détecter.
On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel XYZ, où les axes X et Y sont parallèles au plan principal des démodulateurs 1, et où la direction verticale +Z est orientée suivant l’épaisseur de la portion de détection 10 du démodulateur 1, à partir de la face inférieure F2 en direction de la face supérieure F1. Les termes « inférieur » et « supérieur » font référence à un positionnement croissant suivant la direction +Z définie sur la . Par ailleurs, le terme « horizontal » fait référence à une orientation parallèle au plan XY et le terme « vertical » fait référence à une orientation parallèle à l’axe Z.
Dans cet exemple, les démodulateurs 1 présentent une configuration planaire dans la mesure où ils sont réalisés ici à partir d’une même couche semiconductrice principale 23 (cf. ). Cette dernière s’étend dans un plan principal XY entre les faces supérieure F1 et inférieure F2 opposées l’une à l’autre et parallèles au plan principal. Les deux faces F1, F2 s’étendent donc suivant des plans identiques pour chacun des démodulateurs 1, et délimitent verticalement (suivant l’axe d’épaisseur Z) les portions de détection 10 des démodulateurs 1. Aussi, les démodulateurs 1 ne présentent pas une structure en mesa dans la mesure où ils sont réalisés à partir de la même couche semiconductrice principale 23.
Chaque démodulateur 1 comporte une portion de détection 10 réalisée à base de germanium et donc adaptée à détecter le rayonnement lumineux dans le proche infrarouge (SWIR). Dans la mesure où la portion de détection 10 est réalisée à base de germanium et subit des contraintes mécaniques en tension dans le plan XY, le démodulateur 1 est adapté à détecter un rayonnement lumineux à une longueur d’onde de coupure supérieure à 1.55µm.
L’épaisseur de la portion de détection 10, définie suivant l’axe vertical Z entre les faces supérieure F1 et inférieure F2, est ici sensiblement constante d’un démodulateur 1 à l’autre, par exemple est comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple entre 1µm et 5µm environ. L’épaisseur est choisie de manière à obtenir une bonne absorption dans la gamme de longueurs d’onde du rayonnement lumineux à détecter. La portion de détection 10 présente une dimension transversale dans le plan XY pouvant être comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques dizaines de microns, par exemple comprise entre 1µm et 20µm environ, par exemple égale à 10µm.