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Academic year: 2021

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Texte intégral

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(6) À ma femme, à mes parents, à mes beaux-parents, à mon frère, à ma belle soeur et à tous mes amis..

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(8) Résumé Le développement et l’utilisation de nouveaux matériaux, tel que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), a permis un accroissement sensible des densités d’énergie traitées par les nouveaux composants de l’électronique de puissance, assortie d’une augmentation de leur compacité. Parallèlement à ces progrès technologiques, la généralisation de l’électricité en tant que vecteur d’énergie primaire au sein de systèmes de plus en plus répartis, incluant des moyens de traitement de l’information au plus près de la fonction réalisée, ouvre la voie à une nouvelle génération de systèmes mécatroniques hautement intégrés. Or, l’émergence de ces nouvelles fonctions soulève une question critique liée au mode de refroidissement de ces éléments. Cette question est intimement couplée aux aspects énergétiques et à leur impact environnemental, imposant une amélioration significative des rendements énergétiques mesurés à l’échelle de la fonction complète. C’est dans ce contexte que l’étude présentée traite tout d’abord de systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dissipée au sein de systèmes électroniques de puissance en vue d’alimenter de manière autonome des capteurs, où autres systèmes fonctionnels, via l’énergie " ambiante " ainsi récupérée. Parmi les consommateurs plus particulièrement ciblés, des fonctions innovantes d’intensification par voie électromécanique des échanges de chaleurs au sein d’échangeurs thermique sont étudiées et mises en oeuvre. A terme, l’idée serait ainsi d’alimenter les systèmes d’actionnement assurant l’optimisation des échanges de chaleur au sein du système de refroidissement d’une carte électronique au moyen même de la chaleur qu’elle dissipe, récupérée sous forme d’énergie électrique. A cette fin, les différents procédés de conversion de la chaleur en électricité sont examinés, modélisés et mis en oeuvre dans la suite de ce travail. Deux types de conversion d’énergie complémentaires sont tour à tour considérés : La conversion par effet thermoélectrique, utilisant l’effet Seebeck qui a lieu en présence d’un gradient de température et l’effet pyroélectrique qui apparait en présence de variation temporelle de la température. Ces deux phénomènes sont analysés et décrits à l’aide de modélisations physiques et comportementales, incluant une approche expérimentale ayant nécessité la mise en place de bancs d’essai spécifiques. L’électricité récupérée par conversion pyroélectrique est par la suite mise en forme grâce à des systèmes de redressement à faible tension de seuil spécialement développés. La faisabilité de systèmes d’alimentation autonomes de capteurs déportés, où de systèmes d’émission (ponctuelle) de mesure, est alors concrètement démontrée en se basant sur les résultats obtenus. Ouvrant la voie à un concept de refroidissement actif des puces électroniques, tirant directement parti de la chaleur dissipée pour son alimentation grâce aux deux procédés préalablement étudiés, la problématique de l’intensification des transferts de chaleur au i.

(9) ii. Résumé. sein de boucles de refroidissement mécaniquement activées est abordée dans la dernière partie du mémoire. Cette activation est réalisée à l’aide d’un système d’actionnement multicellulaire réparti à base d’actionneurs piézoélectriques. Développée en étroite collaboration avec des équipes de thermodynamiciens, l’idée est de réaliser un pompage de fluide ainsi qu’une modification des échanges de chaleur au sein d’un système de transfert de chaleur en activant les parois de l’échangeur de chaleur par déformation. Le système d’actionnement préconisé est tout d’abord étudié et simulé par un calcul par éléments finis. Un prototype est construit et caractérisé sous conditions réelles. Le système d’actionnement multicellulaire composé d’un ensemble d’actionneurs et d’un système d’alimentation paramétrable multivoies est alors intégré au sein d’un banc d’essai d’échange de chaleur spécifiquement développé. Cette expérience constitue une première étape fondamentale dans la mise au point de systèmes électroactifs, potentiellement autonomes, permettant l’intensification des échanges de chaleur au sein de boucles de refroidissement à haute performance destiné à l’électronique de puissance.. Mots-clefs • Céramique pyroélectrique • Modèles comportementaux • Structures de conversion d’énergie • Actionneurs piézoélectriques. • Élément thermoélectrique • Récupération d’énergie • Échangeur de chaleur à paroi mobile • Intensification des échanges de chaleur.

(10) Remerciements Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE) à l’Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Electronique, d’Informatique, d’Hydraulique et des Télécommunications (ENSEEIHT) de l’Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) au sein du Groupe de Recherche en Électrodynamique, Matériaux, Machines et Mécanismes Electroactifs (GREM3). Ces travaux ont été effectués grâce au financement de la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace (FNRAE) via le projet "Systèmes de refroidissement thermique intelligent pour l’électronique embarquée" (SYRTIPE) et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) à travers le projet "Contrôle et Intensification des Transferts de chaleur et de masse par Auto-adaptation de la Morphologie des Parois d’Echange" (CITAMPE). Je voulais exprimer ma gratitude envers toutes les personnes qui ont contribuées à l’aboutissement de cette thèse. Je tenais à remercie en premier lieu mon directeur de thèse Bertrand Nogarede, Professeur des Universités à l’INPT et rattaché au LAPLACE au sein de l’équipe de recherche GREM3, pour la confiance et l’autonomie qu’il m’a accordé durant mes années de thèse, pour ses précieux conseils et échanges tant sur des aspects scientifiques qu’humains. Je tiens également à remercier mon co-directeur Marc Miscevic, Maitre de Conférences à l’Université Paul Sabatier et chercher au laboratoire LAPLACE au sein de l’équipe de recherche GREPHE, qui a grandement participé à l’avancement de mes travaux de recherche et grâce à qui mes compétences en thermodynamique se sont nettement améliorées. Je souhaiterais également présenter toute ma gratitude aux autres membres du jury : – Pr. Christian Courtois, Professeur des Universités à l’Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis et rattaché au Laboratoire des Matériaux Céramiques et Procédés Associés (LMCPA) de Maubeuge, qui nous a fait l’honneur de présider le jury et a accepté la charge de rapporteur. Les discussions sur l’aspect matériaux, que nous avons eu, ont été très intéressantes et enrichissantes, je vous en remercie. – Pr. Guy Friedrich, Professeur des Universités, Directeur du Laboratoire d’électromécanique de l’Université de Technologie de Compiègne, qui a participé au jury de thèse en tant que rapporteur. Les questionnements que vous avez soulevés sur les travaux de thèse ont été très appréciés et m’ont permis d’éclaircir certains aspects. – Dr. Frédéric Topin, Maitre de conférences à l’Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (IUSTI) de Marseille, qui a accepté le rôle d’examinateur iii.

(11) iv. Remerciements de ce travail. Les échanges durant la thèse ont été bénéfiques et ont apporté des points de vue très intéressants.. Je tiens également à présenter mes sincères remerciements à tous les membres de l’équipe GREM3 : Carole Hénaux, Dominique Harribey, Eric Duhayon, Frédéric Messine, Françis Pigache, Jean-François Llibre, Jean-François Rouchon, Robert Larroche. Merci pour votre soutient, pour la bonne ambiance et les bons moments que j’ai vécu au sein de l’équipe. Je ne peux oublier la contribution de l’équipe GREPHE du LAPLACE, en particulier celle de Pascal Laveille et de Laetitia Léal. Je les remercie pour leurs aides sur l’aspect thermique de la thèse et le développement du démonstrateur. Je tiens à remercier particulièrement François Pigache, Maitre de conférences à l’ENSEEIHT et membre de l’équipe GREM3, plus qu’un collègue, un ami ! Tu m’as apporté beaucoup durant cette thèse, autant sur les points techniques, scientifiques qu’humains. J’ai apprécié les pauses café partagées avec toi ainsi que les discussions qui les ont accompagnées. Un grand merci aux personnels administratifs du laboratoire, de l’université (UPS), de l’école (ENSEEIHT) et de l’école doctorale (GEET), qui par leur disponibilité ont facilité toutes les tâches administratives. Merci donc à Cécile Daguillanes, Valérie Schwarz, Catherine Moll Mazella, Carine Bastie, Marie Estruga, Catherine Stasiulis ainsi qu’Elisabeth Merlo et Djamila Janati. Une pensée particulière pour nos chers informaticiens qui nous permettent de travailleur dans des conditions optimales. Merci à Jacques Bénaioun et David Bounnafous de m’avoir supporté. Aux collègues de galère avec qui j’ai partagé d’agréable moment durant ces années de thèse. Je tiens à remercier de manière explicite Tahar : collègue, ami et colocataire avec qui j’ai partagé plus de dix ans à suivre un cursus d’étude similaire (un peu trop : ), tapissé de pleins de bons moments. Merci aussi à Julien, Chérif, Mustapha, Mehdi, Yacine, Mouloud, Julie (organisatrice du foot pendant un temps), Etienne, Eduard, Aurélien, Ahmed, Abderrahmane, Madiha, Thomas, Alexandre, Caroline (enfin Virginie), Damien, Nicolas, et à tous ceux que je n’ai pas cité. Quelques mots de remerciements pour ceux qui ont occupés le même bureau que moi, ceux de mon premier bureau dans l’ancien bâtiment : Azziz, Amine, Djibrillah et Ziad ; puis ceux du nouveau bâtiment : Raphael, Clément, Thomas, Maël et JeanFrançois, je vous remercie pour tous les moments de joie, de franche rigolade, de travail studieux, d’échange culturel, musicaux et autres, qu’on a pu avoir autour de litres de café ingurgités (qui ont d’ailleurs coûtés la vie à plusieurs cafetières). Je voudrais avoir quelques mots pour des personnes qui ont participées à mon cursus d’étude, je tiens donc à remercier tous les enseignants que j’ai eus durant mes années d’étude. Merci à Monsieur Maurice Fadel, directeur adjoint du laboratoire LAPLACE, de m’avoir accueille au sein du laboratoire ; à Madame Maria David, responsable du master recherche à mon arrivée à l’ENSEEIHT et au LAPLACE, pour sa gentillesse ainsi que son aide. Je ne pourrais oublier Monsieur Omar Touhami, professeur de l’Ecole Nationale Polytechnique d’Alger et directeur du laboratoire de recherche en électrotechnique de la même école, qui m’a permis d’être admis au sein du laboratoire LAPLACE.

(12) Remerciements. v. et à l’ENSEEIHT en me recommandant mais aussi pour son soutien tout au long de ma thèse. Un grand merci à tous mes amis, particulièrement Tahar, Amine (Abdellah), Amine (mon cousin), Hacen, Badri et Cherif Tounsi. Enfin, je ne terminerai pas sans remercier toute ma famille. Merci à mon père et ma mère, qui ont toujours cru en moi et qui m’ont toujours poussé à poursuivre mes études ; si j’en suis là c’est grâce à vous. Je remercie ma belle-famille pour leur présence et leur soutien. Merci à mon frère et ma belle-soeur qui m’ont appuyé et soutenu durant ces années de thèse. Je tiens à remercier ma femme, Yasmina, avec qui on a partagé l’expérience de thèse (maintenant à toi de soutenir la tienne). Merci de m’avoir supporté et remonté le morale quand il était au plus bas..

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(14) "Quel que soit le métier Imposé ou choisi Et par vous exercé, Les efforts consentis, Les charges supportées, Vos " talent et génie ", Toute l’autorité Dont vous êtes investis, Evitez de semer Discorde et jalousie ! N’essayez de briller Que par la modestie." R. Amokrane.

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(16) Table des matières Résumé. i. Remerciements. iii. Introduction générale 1. 2. 1. Récupération thermo-mécaniques de la chaleur 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Conversions électro-thermo-mécaniques de l’énergie . . . . . . . . . . 1.2.1 L’effet piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.2 Pincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 L’effet pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 L’effet thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.3 Effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Récupération d’énergie dissipée sous forme de chaleur . . . . . . . . . 1.3.1 Récupération d’énergie par conversion pyroélectrique . . . . . . 1.3.1.1 Utilisation des propriétés linéaires . . . . . . . . . . 1.3.1.2 Récupération par techniques nonlinéaires . . . . . . . 1.3.1.3 Cycle d’Olsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.4 Cycle d’Ericsson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.5 Cycle SECE "synchronized electric charge extraction" 1.3.1.6 Cycle SSHI "synchronized switch harvesting on inductor" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Récupération d’énergie par conversion thermoélectrique . . . . 1.3.3 Récupération d’énergie par autre type de conversion . . . . . . 1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 6 6 7 7 9 10 10 11 16 16 17 17 19 19 20 22 23 23 25. Étude théorique des conversions pyroélectrique et thermoélectrique 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modèle comportemental de la pyroélectricité . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 36 36 36. ix. 27 29 31 34.

(17) x. Table des matières. 2.3. 2.4. 2.5. 2.2.2 Définition du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Cas de variations sinusoïdales de la température . . . . . . . . . Modèle comportemental de la thermoélectricité . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Définition du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Développement du calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1 Modélisation d’un thermo-générateur élémentaire . . 2.3.3.2 Modélisation globale d’un générateur thermoélectrique du commerce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Calcul numérique des grandeurs électriques de sortie . . . . . . . . . . 2.4.1 Cas de la pyroélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.1 Calcul des grandeurs électriques de sortie pour des variations de température sinusoïdales . . . . . . . . 2.4.1.2 Rendement énergétique de la conversion pyroélectrique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Cas de la thermoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.1 Calcul basé sur les paramètres du TEG industriel . . . 2.4.2.2 Calcul basé sur les paramètres élémentaires . . . . . 2.4.2.3 Comparaison des résultats des deux modèles comportementaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37 39 39 39 40 42 42 44 45 46 46 49 51 51 54 56 58. 3. Étude experimentale des conversions pyroélectrique et thermoélectrique 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Éléments actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Élément pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1.1 Réalisation des éléments pyroélectriques . . . . . . . 3.2.1.2 Caractérisation des éléments pyroélectriques . . . . . 3.2.2 Générateur thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Description du banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Mise en oeuvre de l’effet pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Mise en oeuvre de l’effet thermoélectrique . . . . . . . . . . . 3.4 Conversion pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Céramique pyroélectrique PLZT (7/60/40) . . . . . . . . . . . 3.4.2 Céramique pyroélectrique BS T 15 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Caractérisation de la participation de chaque effet . . . . . . . . 3.5 Conversion thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Fonctionnement en convection naturelle . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Fonctionnement en convection forcée . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Validation du modèle développé . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59 60 60 60 60 61 63 63 63 66 67 67 74 75 76 76 78 80 82. 4. Circuits électroniques de récupération 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Présentation des structures de redressement . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Pont à diode Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85 86 86 87.

(18) Table des matières. 4.3. 4.4. 4.5. xi. 4.2.2 Pont à diode Schottky et MOSFET utilisé en diode . . . . . . . 88 4.2.3 Pont à diode active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Étude numérique des redresseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.1 Pont à diode Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.2 Pont à diode Schottky et MOSFET utilisé en diode . . . . . . . 93 4.3.3 Pont à diode active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Étude expérimentale des structures de redressement pour la conversion pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4.1 Pont à diode Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4.2 Pont à diode Schottky et MOSFET utilisé en diode . . . . . . . 98 4.4.3 Pont à diode active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103. 5. Actionnement pour la mise en mouvement de fluide et l’intensification des échanges de chaleur 105 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Intensification des échanges de chaleur et transport de fluide par actionnement électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.1 Intensification par morphing des parois . . . . . . . . . . . . . 107 5.2.2 Faisabilité du morphing par actionnement piézoélectrique . . . 108 5.2.2.1 Actionneur massif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.2.2.2 Actionneur flextensionnel . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.2.3 Actionnement à onde mécanique dans les solides . . . 111 5.3 Structure d’intensification préconisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.3.2 Structure d’actionnement préconisée . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.4 Étude analytique de l’actionneur d’intensification des échanges de chaleur118 5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121. 6. Application à l’intensification électro-active des échanges de chaleur 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Description du banc d’essai d’intensification des échanges de chaleur 6.3 Développement du premier prototype d’actionneur . . . . . . . . . . 6.3.1 Étude numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1.1 Pré-dimensionnement de l’actionneur . . . . . . . . 6.3.1.2 Choix des caractéristiques finales de l’actionneur . . 6.3.2 Étude expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2.1 Description du banc d’essai . . . . . . . . . . . . . 6.3.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Développement de la deuxième version d’actionneur . . . . . . . . . 6.4.1 Description des modifications apportées . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Étude numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Étude expériementale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3.1 Essais à vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. 123 124 124 127 128 128 130 135 136 136 139 139 142 147 147.

(19) xii. Table des matières 6.4.3.2 6.4.3.3. 6.5. 6.6. Consommation de l’actionneur . . . . . . . . . . . . Essais de l’actionneur intégré au sein du système d’intensification des transferts de chaleur . . . . . . . . . Mise en oeuvre de l’actionneur au sein du banc d’intensification . . . . 6.5.1 Dispositif d’alimentation et de mesure . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Conditions expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 148 149 152 153 155 156 160. Conclusion générale. 161. A Annexe A. 181. B Annexe B. 183.

(20) Table des figures 1.1 1.2 1.3 1.4. 1.5. 1.6. 1.7 1.8. 1.9 1.10 1.11. 1.12 1.13. Couplage entre les propriétés thermique, électrique et mécaniques de la matière et variables associées [Lan74]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principe de la création d’une polarisation sous l’effet d’une déformation au sein d’un cristal non centro-symétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . Modes de couplages électromécaniques élémentaires d’une céramique piézoélectrique PZT [Nog05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typographie issue de la correspondance entre Aepinus et le Duc de Noya (1762) ; Fig. 3. chauffage d’une pierre de tourmaline sur un barreau métallique ; Fig. 4 la pierre repousse les poussières ; Fig .6. après un certain temps les poussières sont attirées [Lan74]. . . . . . . . . . . . . . . . . Effet pyroélectrique : (a) mesure de la polarisation spontanée à température constante et (b) mesure de la polarisation lors d’une augmentation de température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projection sur le plan 100 d’un cristal élémentaire de BaT iO3 . (a) Cristal à température constante et (b) Cristal soumis à des variations de température. [Lan05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effet pyroélectrique primaire et secondaire. L’effet primaire est en trait rouge plein et l’effet secondaire est en trait rouge discontinu. [Lan05]. . Effet Seebeck. (a) Lorsque deux matériaux A et B sont reliés entre eux pour former un circuit fermé et que l’une des jonctions est maintenue à une température θH et l’autre à une température θC (θH > θC ), alors un courant I égal à S A · JA et S B · JB où JX et S X (X=A,B) sont les densités de courant et les sections des matériaux A et B, respectivement, circule dans la boucle. Si la boucle est ouverte, on observe une différence de potentiel ∆V entre les deux matériaux à cette extrémité et (b) Polarité et mouvement des électrons et des trous lorsque les matériaux A et B sont respectivement des semi-conducteurs de type n et p. . . . . . . . . . . . Générateur thermoélectrique à base de jonction (n,p) [RM03]. (a) génerateur élementaire et (b) génerateur mutliéléments. . . . . . . . . . . . Cycle thermodynamique résistif [SLG08]. . . . . . . . . . . . . . . . . Puissance moyenne de sortie dissipée sur la résistance adaptée pour des récupérations d’énergie pyroélectrique (traits pleins) et thermoélectrique (pointillé) [SSG+ 06]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Échantillon et circuit de connexion utilisé dans les travaux de A Cuadras et al. [CGGF06]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cycle d’Olsen [NNP10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii. 7 9 10. 11. 13. 13 15. 19 19 20. 21 22 23.

(21) xiv. Table des figures 1.14 Prototype d’essai de conversion pyroélectrique par cycle d’Olsen étudié par H Nguyeb et al. [NNP10]. (a) Schèma du prototype et (b) Image du prototype réalisé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15 Cycle d’Ericsson [SPG08]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16 Cycle thermodynamique SECE [SLG08]. . . . . . . . . . . . . . . . . 1.17 Structure de conversion d’énergie SECE. [BH09] . . . . . . . . . . . . 1.18 Cycle thermodynamique SSHI [SLG08]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19 Structure de conversion d’énergie SSHI [BH09]. . . . . . . . . . . . . . 1.20 Schéma du circuit d’essai de conversion d’énergie pyroélectrique (SSHI) utilisé par D Guyomar et al. [GSPL08]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.21 Prototype d’un générateur thermoélectrique ThermoLife [Sta06]. . . . . 1.22 Thermo-générateur produit par Nexterme [nex]. . . . . . . . . . . . . . 1.23 Conversion d’énergie à partir de chaleur par conversion indirecte. . . . . 2.1 2.2. Modèle comportemental d’un élément pyroélectrique [Lan74, CGGF06]. Modèle comportemental de la partie électrique d’un générateur thermoélectrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Modèle comportemental de la partie thermique d’un générateur thermoélectrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Modèle thermique d’un générateur thermoélectrique en contact avec une source de chaleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Modélisation thermique simplifiée d’un générateur thermoélectrique en contact avec une source de chaleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Puissance (PL ) sur une charge connectée en sortie d’une céramique pyroélectrique en fonction de l’amplitude (θamp ) et une fréquence ( f ) de variation de la température (pour une résitance de charge adaptée Rl = R p ). 2.7 Puissance (PL ) sur une charge connectée en sortie d’une céramique pyroélectrique en fonction de la résitance de charge (Rl ) et de la fréquence ( f ) de variation de la température (amplitude de variation θamp = 5 ◦C). 2.8 Puissance (PL ) sur une charge connectée en sortie d’une céramique pyroélectrique en fonction de l’amplitude de variation de température (θamp ) et de la valeur de la charge (RL ) (fréquence ( f ) de variation de 100 mHz). 2.9 Tension (VL ) sur une charge connectée en sortie d’une céramique pyroélectrique en fonction de l’amplitude de variation de température (θamp ) et de la valeur de la charge (RL ) (fréquence ( f ) de variation de 100 mHz). 2.10 Tension (VL ) sur une charge connectée en sortie d’une céramique pyroélectrique en fonction de la résitance de charge (Rl ) et de la fréquence ( f ) de variation de la température (amplitude de variation θamp = 5 ◦C). 2.11 Rendement de la conversion pyroélectrique (η p ) directe en fonction de l’amplitude (θamp ) et de la fréquence ( f ) de variation de la température (résitance de charge RL = 2 · R p ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 Rendement de la conversion pyroélectrique (η p ) directe en fonction de la résitance de charge (RL ) et de la fréquence ( f ) de variation de la température. (amplitude de variation θamp = 2 ◦C). . . . . . . . . . . . . .. 24 25 26 26 28 28 29 30 31 33 37 40 41 43 44. 47. 47. 48. 48. 49. 50. 50.

(22) Table des figures 2.13 Rendement de la conversion pyroélectrique (η p ) directe par rapport au rendement de Carnot ηCarnot en fonction de la résitance de charge (Rl ) et l’amplitude (θamp ) de variation de la température. Pour une fréquence de variation f = 100 mHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 Tension (VL ) aux bornes de la charge en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de résistance de charge (modèle global). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 Variation de la puissance de sortie PL en fonction de la charge (RL ) et de la différence de température appliquée (∆θT EG )(modèle global). . . . . . 2.16 Variation de la puissance de sortie PL en fonction de la différence de température appliquée (∆θT EG ) pour différentes valeurs de la charge (RL ) (modèle global). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17 Variation de la puissance de sortie PL en fonction de la charge (RL ) pour différentes valeurs de la différence de température appliquée (∆θT EG ) (modèle global). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.18 Effet de saturation de la tension de sortie VL en fonction de la charge (RL ) pour différentes valeurs de la différence de température appliquée (∆θT EG )(modèle global). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19 Tension (VL ) sur la charge en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge (modèle élémentaire). . . . 2.20 Variation de la puissance de sortie PL en fonction de la charge (RL ) et de la différence de température appliquée (∆θT EG ) (modèle élémentaire). . 2.21 Variation de la puissance de sortie PL en fonction de la différence de température appliquée (∆θT EG ) pour différentes valeurs de la charge (RL ) (modèle élémentaire). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22 Saturation de la puissance de sortie PL en fonction de la charge (RL ) pour différentes valeurs de la différence de température appliquée (∆θT EG ) (modèle élémentaire). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23 Comparaison des modèles comportementaux développés. le Modèle 1 est basé sur les données globales du constructeur et le Modèle 2 utilise les caractéristiques physiques des différents matériaux constitutifs. . . . 2.24 Évolution du rendement (ηT EG et ηT EG /ηCarnot ) de la conversion en fonction de la différence de température appliquée (∆θT EG ). . . . . . . . . . 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6. Céramiques pyroélectriques de 0.6 mm réalisées par le LMCPA de Maubeuge. À gauche céramique en PLZT et à droite céramique en BS T . . . Étapes de réalisation des céramiques pyroélectriques. . . . . . . . . . . Variation de la perméabilité relative des céramiques pyroélectriques en fonction de la température de l’élément. . . . . . . . . . . . . . . . . . Générateur thermoélectrique étudié. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma global du banc d’essai de conversion pyroélectrique. . . . . . . Source thermique pour l’étude de la conversion pyroélectrique. (1) dispositif de soufflage d’air chaud, (2) céramique pyroélectrique, (3) thermocouple et (4) dissipateur thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xv. 51. 52 52. 53. 53. 54 54 55. 55. 56. 57 57 61 62 63 64 65. 65.

(23) xvi. Table des figures 3.7. 3.8 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. Variations de température appliquée lors des essais. (a) Variations de température à une fréquence de 50 mHz et (b) Variation de température de 100 mHz de fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma global du banc d’essai de conversion thermoélectrique. . . . . . Banc d’essai pour la récupération d’énergie par conversion thermoélectrique. (1) Source de chaleur, (2) carte d’acquisition de température, (3) carte d’acquisition de tension et de puissance récupérée (4) alimentation, (5) station d’enregistrement et de contrôle, (6) entrée d’air comprimé et (7) ventilateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution temporelle de la tension aux bornes de la charge connectée à une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60). (a) Oscillation de température à 50 mHz et (b) Oscillation de température à 100 mHz. . . . . Comparaison de la tension maximale aux bornes de l’élément pyroélectrique (PLZT (7/40/60)) en fonction de la charge connectée et des fréquences de variation. (a) Amplitude de variation 15 ◦C et (b) Amplitude de variation 30 ◦C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparaison de la tension maximale aux bornes de l’élément pyroélectrique (PLZT (7/40/60)) en fonction de la charge connectée et de l’amplitude de variation de la température pour différentes valeurs de fréquence. (a) oscillation de température à 50 mHz et (b) oscillation de température à 100 mHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution temporelle de la puissance de sortie pour une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60). (a) Oscillation de température à 50 mHz et (b) Oscillation de température à 100 mHz. . . . . . . . . . . . . . . . Évolution de la puissance moyenne de sortie pour une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de la fréquences de variation. (a) variations de 15 ◦C et (b) variations de 30 ◦C. . . . . . . . . . . . . Évolution de la puissance maximale de sortie pour une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de la fréquences de variation. (a) variations de 15 ◦C et (b) variations de 30 ◦C. . . . . . . . . . . . . Évolution de la puissance maximale aux bornes de charge connectée à une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de l’amplitude de variation de la température. (a) oscillation de température à 50 mHz et (b) oscillation de température à 100 mHz. . . . . . . . . . . Évolution de la puissance moyenne aux bornes de charge connectée à une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de l’amplitude de variation de la température. (a) oscillation de température à 50 mHz et (b) oscillation de température à 100 mHz. . . . . . . . . . . Évolution de la tension aux bornes de charge connectée à une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de la vitesse de variation de la température. (a) oscillation de température de 15 ◦C à 100 mHz et (b) oscillation de température de 15 ◦C à 150 mHz. . . . . . . . . . . . . . Évolution du courant pyroélectrique d’une céramique pyroélectrique PLZT en fonction de la vitesse de variation de la température pour différentes valeurs de chagre. (a) oscillation de température de 15 ◦C à 100 mHz et (b) oscillation de température de 15 ◦C à 150 mHz. . . . . . . . . . . .. 66 67. 67. 68. 69. 69. 70. 71. 71. 72. 72. 73 (7/40/60). 74.

(24) Table des figures. xvii. 3.20 Évolution temporelle de la tension de sortie pour une céramique pyroélectrique BS T 15. (a) Céramique polarisée et (b) Céramique nonpolarisée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.21 Évolution temporelle de la puissance aux bornes de charge connectée à une céramique pyroélectrique BS T 15. (a) Céramique polarisée et (b) Céramique non-polarisée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.22 Évolution des coefficients pyroélectriques estimés pour une céramique pyroélectrique PLZT (7/40/60) en fonction de la fréquence de variation de la température. (a) Comparaison entre le coefficient primaire et secondaire et (b) Évolution du coefficient secondaire. . . . . . . . . . . 3.23 Évolution de la différence de température sur le générateur thermoélectrique en fonction de la température de face chaude appliquée, pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . 3.24 Évolution de la tension de sortie en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.25 Évolution de la puissance de sortie en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.26 Évolution de la différence de température sur le générateur thermoélectrique en fonction de la température de face chaude appliquée pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . 3.27 Évolution de la tension de sortie en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.28 Évolution de la puissance de sortie en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge. (a) sens direct et (b) sens inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.29 Comparaison des tensions de sortie mesurées et calculées en fonction de la différence de température appliquée pour différentes valeurs de charge. 3.30 Comparaison des puissances de sortie mesurées et calculées en fonction de la différence de température appliquée, pour différentes valeurs de charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.31 Rendement de la conversion thermoélectrique en fonction de la puissance de chauffe appliquée. (a) rendement (ηT EG ) et (b) rendement par rapport au rendement de Carnot (ηT EG /ηCarnot ). . . . . . . . . . . . . . 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7. Méthode de réalisation de diode à faible tension seuil. . . . . . . . . . . Redresseur à diode Schottky (Structure 1). . . . . . . . . . . . . . . . . Redresseur à MOSFET interconnectés (Structure 2). . . . . . . . . . . . Structure proposée à "diodes actives" (Structure 3). . . . . . . . . . . . Version finale de la structure proposée à base de diode active (Structure 3). Modèle de simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution de la tension pour la structure 1 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . .. 74. 75. 76. 77. 77. 78. 79. 79. 80 80. 81. 82 87 87 88 90 90 91 92.

(25) xviii 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12. 5.13. 5.14. Table des figures Évolution de la tension pour la structure 2 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . . 93 Évolution de la tension pour la structure 3 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . . 94 Comparaison des tensions de sortie pour les trois structures en fonction de la résistance de charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Comparaison des puissances de sortie pour les trois structures en fonction de la résistance de charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Évolution des tensions pour la structure 1 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . . 98 Évolution des tensions pour la structure 2 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . . 99 Évolution des tensions pour la structure 3 en fonction du temps : tension pyroélectrique (trait plein) et tension sur la charge (pointillé). . . . . . . 100 Comparaison des valeurs moyennes de la tension de sortie pour les trois structures en fonction de la résistance de charge. . . . . . . . . . . . . . 101 Comparaison des puissances de sortie pour les trois structures en fonction de la résistance de charge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Vue en coupe d’un transducteur de type Tonpilz . . . . . . . . . . . . . Transducteur annulaire [Mar76]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Actionneur bi-morphe et elliptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transducteur à flexion de disque [Mar99]. . . . . . . . . . . . . . . . . Structure élementaire d’un transducteur SAW [WV65] . . . . . . . . . Schéma d’une structure de déplacement de gouttelettes par transducteur SAW [ABB+ 03]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transporteur microfluidique basé sur des transducteurs acoustiques à auto-focalisation en LZT [YKK06]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photographie de l’appareil vibrant périodique à céramiques piézoélectriques pour déplacer des gouttelettes [AMB05]. . . . . . . . . . . . . . Structure de déplacement de gouttelettes par actionnement réparti développé par J Scortesse [SMB02]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Canal déformé et maillé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principe de déformation de paroi par onde progressive. . . . . . . . . . Evolution du flux de masse obtenu par pompage en fonction de l’amplitude relative (rapport A/e) de la déformation pour différentes fréquences pour un canal de hauteur 1 mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution du gain sur le coefficient de transfert de chaleur entre la paroi et le fluide (eau liquide) en fonction de l’amplitude relative (rapport A/e) de la déformation pour différentes fréquences pour un canal de hauteur 1 mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cartographie du coefficient de transfert de chaleur en fonction du débit massique induit. Le symbole diamant représente les données numériques de simulation pour un canal de hauteur 1 mm. Toute la zone colorée est accessible par modification de l’amplitude, de la fréquence ou de la longueur d’onde de la déformation. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109 110 111 111 112 112 113 113 114 115 115. 115. 116. 116.

(26) Table des figures 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 6.1 6.2. 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11. 6.12. 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23. xix. Structure de perturbation de couche limite (PALM) [RDN04]. . . . . . Principe d’actionnement proposée pour la déformation de paroi. . . . . Schéma simplifié pour le calcul de déformation. . . . . . . . . . . . . . Déformation calculée à partir de l’expression (5.3). . . . . . . . . . . . Architecture d’actionnement retenue pour l’intensification des échanges de chaleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118 118 119 119. Schéma fluidique simplifié. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vue du circuit hydraulique pour l’application de différence de pression. (1) réservoir inférieur, (2) balance, (3) vanne, (4) 2 réservoirs supérieurs (réglage de ∆P) et (5) canal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Canal d’écoulement de fluide et d’échange de chaleur. (a) Structure de positionnement des actionneurs et (b) vue éclatée du canal. . . . . . . . Schéma du canal d’intensification des échanges de chaleurs. . . . . . . Vue supérieure du canal assemblé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Structure de la lame d’amplification du déplacement. . . . . . . . . . . Évolution de la déformation suivant l’axe des Y en fonction de la longueur du bras de levier, pour différents valeurs de profondeur de défaut. Structure réalisée sous ANSYS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Céramique piézoélectrique P885.50 de PI. . . . . . . . . . . . . . . . . Caractéristique de force en fonction du déplacement de la céramique piézoélectrique P885.50 de PI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution du déplacement au niveau du joint souple de la lame amplificatrice de déplacement en fonction du déplacement appliqué par les céramiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variation de la contrainte maximale au sein de la lame amplificatrice de déplacement en fonction du déplacement appliqué pour différents matériaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Déformation d’une lame en Dural pour deux forces de 60 N appliquées sur les appuis, simulée sous ANSYS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contrainte au sein d’une lame en Dural pour deux forces de 60 N appliquées sur les appuis, simulée sous ANSYS. . . . . . . . . . . . . . . . Évolution du déplacement au niveau du joint souple de la lame amplificatrice de déplacement en fonction de la force appliquée. . . . . . . . . Variation de la contrainte maximale au sein de la lame amplificatrice de déplacement en fonction de la force appliquée. . . . . . . . . . . . . . . Quatre premiers modes propres de la lame en Dural. . . . . . . . . . . . Première version du prototype d’actionneur piézoélectrique. . . . . . . Vue du banc d’essai des actionneurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma général de l’alimentation des actionneurs. . . . . . . . . . . . . Évolution du déplacement en fonction de la fréquence et de l’amplitude de la tension d’alimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Évolution du déplacement en fonction de la fréquence et de l’amplitude de la tension d’alimentation pour un actionneur sans cales de blocage. . Trace de contact entre la céramique piézoélectrique et la lame d’amplification du déplacement sur la zone d’appui. . . . . . . . . . . . . . . .. 125. 120. 126 126 127 127 128 129 129 130 131. 132. 132 133 133 134 134 135 135 136 137 137 138 139.

(27) xx. Table des figures 6.24 Évolution du déplacement (δy) suivant l’axe des y en fonction du déplacement appliqué par la céramique piézoélectrique (δx). . . . . . . . . . 139 6.25 Modifications apportées à la lame d’amplification du déplacement. . . . 140 6.26 Schéma des contacts céramiques/lame d’amplification des déplacements. (a) Version premier actionneur et (b) Version modifiée. . . . . . . . . . 140 6.27 Schématisation du principe de pivot après modification de la position du pivot (demi-représentation). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.28 Calcul de déformation sous ANSYS pour un déplacement appliqué sur un point (δx = 16 µ m). (a) déplacement en y (δy) et (b) contrainte (T ). . 143 6.29 Calcul de déformation sous ANSYS pour un déplacement appliqué en deux points (δx = 16 µ m). (a) déplacement en y (δy) et (b) contrainte (T ). 143 6.30 Déplacement utile (a) et contrainte interne maximale (b) de la lame d’amplification en fonction du déplacement appliqué en un point (δx). . 144 6.31 Facteurs relatifs des modes propres de la lame d’amplification des déplacements (ramené au premier mode). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.32 Déformées modales associées aux quatre premiers modes propres de la lame d’amplification du déplacement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.33 Vue de l’actionneur dimensionné en vue de l’intensification des transferts de chaleur et la mise en mouvement de fluide. . . . . . . . . . . . 147 6.34 Évolution du déplacement utile en fonction de la fréquence et de l’amplitude de la tension d’alimentation pour le nouveau modèle d’actionneur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.35 Déplacement utile de la lame d’amplification des déplacements sous l’effet de déformations statiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.36 Tension d’alimentation de l’actionneur pour les essais de mesure de puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.37 Puissance consommée par un actionneur alimenté sous une tension de 120 V pour différentes fréquences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.38 Déplacement de l’actionneur numéro 1 positionné sur le canal en fonction de la fréquence pour une différence tension d’alimentation avec une indentation de 0 µ m. (a) différence de pression ∆P = 500 Pa aux bornes du canal et (b) différence de pression ∆P = 5000 Pa aux bornes du canal.150 6.39 Déplacement de l’actionneur numéro 1 positionné sur le canal en fonction de la fréquence pour une différence tension d’alimentation avec une différence de pression ∆P = 50 Pa. (a) indentation de 400 µ m sur le canal et (b) indentation de 200 µ m sur le canal. . . . . . . . . . . . . . 151 6.40 Vibration du bâti et du support de l’actionneur en fonction de la fréquence pour une indentation de 400 µ m, une différent de pression de 500 Pa et une tension d’alimentation de 120 V. . . . . . . . . . . . . . 151 6.41 Déplacement moyen de l’actionneur positionné sur le canal en fonction de la fréquence pour une différence de pression ∆P = 500 Pa, une indentation de 400 µ m et une masse de 3.2 kg. . . . . . . . . . . . . . . 152 6.42 Principe d’alimentation des actionneurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.43 Schéma électrique de l’étage d’amplification linéaire. . . . . . . . . . . 154 6.44 Carte d’amplification linéaire utilisée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.

(28) Table des figures. xxi. 6.45 Mesure des températures. (a) Positions des mesures sur le canal et (b) Station de mesure des températures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.46 Schéma explicatif des résistances de contact. . . . . . . . . . . . . . . . 6.47 Contact actionneur canal. (a) contact direct et (b) contact via lame en clinquant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.48 Pompage créé par l’actionnement à 5 Hz, une contre pression (Pcanal ) de Patm + 2775 Pa, un ∆P = 0 Pa et λ = 16 cm. . . . . . . . . . . . . . . 6.49 Température du canal en fonciton du temps. (a) Sans actionnement pour ∆P = 350 Pa, Ic = 1.2 A et un débit de 0.15 g/s (b) Avec actionnement pour ∆P = 0 Pa, Ic = 1.2 A et un débit de 0.16 g/s. . . . . . . . . . . 6.50 Influence d’un actionnement à 5 Hz sur les températures de paroi pour un ∆P = 350 Pa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1 B.2 B.3 B.4. Plan de la lame d’amplification de déplacement première version. Plan de la première version de l’actionneur. . . . . . . . . . . . . Plan de la lame d’amplification de déplacement seconde version. . Plan de la seconde version de l’actionneur. . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 155 156 157 157. 158 159 183 184 184 185.

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(30) Liste des tableaux 1.1. Propriétés des matériaux non linéaires pyroélectriques et puissance obtenue pour un cycle d’Ericsson avec variation de température extérieure de 20 ◦ C crête à crête à 10−2 Hz, avec h = 10W m−2 K −1 et une épaisseur de 100 µ m. (MC : monocristal, C : céramique, CM : couche mince, P : polymère)[SGA09]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.1. Paramètres du schéma électrique équivalent . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.1. Valeurs moyennes des caractéristiques à 25 ◦C des éléments pyroélectriques développés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Paramètres électriques du générateur thermoélectrique étudié [GMB04b]. 64. 3.2 4.1. 4.2 4.3. Fraction de temps nécessaire à l’inversion de la tension pyroélectrique pour les différentes structures. (Cm) : charge minimale et (CM) : charge maximale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Gain en termes de puissance de la structure 3 par rapport au deux autres structures tiré à partir des résultats de simulation. . . . . . . . . . . . . 97 Gain en puissance de la structure 3 par rapport au deux autres structures déterminé à partir des mesures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101. 5.1. Exemple de valeur d’intensification des transferts de chaleur rapportés dans la littérature selon la technique utilisée. . . . . . . . . . . . . . . . 107. 6.1. Variation de la déformation suivant l’axe des y en fonction de longueur du bras de levier (L) et du rayon de la zone d’appui R. Pour épaiseur de H = 2 mm et profondeur W = 10 mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . Caractéristiques de la céramique P885.50 de PI. . . . . . . . . . . . . . Fréquence des quatre premiers modes de la lame de l’actionneur. . . . . Longueur du demi-bras de levier pour la nouvelle version de la lame d’actionnement pour un déplacement δx = 13 µ m. . . . . . . . . . . . Longueur du demi-bras de levier pour la nouvelle version de la lame d’actionnement pour un déplacement δx = 15 µ m. . . . . . . . . . . . Caractéristique de la lame d’intensification du déplacement. . . . . . .. 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6. 130 131 135 141 142 142. A.1 Élément de la composition du [(Pb0.93 La0,07 )(Zr0,6 T i0,4 )]O3 (PLZT ). . . 181 A.2 Élément de la composition du [(Ba0,85 S r0,15 )T i]O3 (PLZT ). . . . . . . . 181. xxiii.

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(32) Introduction générale Le développement des nouvelles technologies dans le domaine de l’électronique de puissance a permis la miniaturisation des composants, tout en augmentant les densités de puissance au sein des composants. Ainsi, on peut aujourd’hui envisager des systèmes électroniques à haut niveau d’intégration fonctionnelle, éventuellement répartis, et combinant des fonctions de calcul, de mesure et éventuellement d’actionnement (microsystèmes). Ces dispositifs nécessitent une alimentation électrique intégrée que l’on souhaite la plus autonome possible. Le déploiement des systèmes électriques répartis pousse à explorer les solutions d’alimentation électrique utilisant des sources d’énergie localement disponible. En terme d’autonomie énergétique, un grand nombre de système intègre une batterie (ou une pile) permettant leur fonctionnement sans être connecté à une source d’énergie extérieure. Toutefois, ce type de solution limite le système en termes de durée de vie. Un autre point défavorable est lié à la pollution induite par l’utilisation d’éléments électrochimiques. Aussi, une alternative prometteuse concerne la récupération de l’énergie "ambiante", cette dernière pouvant prendre des formes variées (vibratoire, électromagnétique, thermique, rayonnement ...). Tirant profit de ces sources énergétiques généralement disponibles au plus proche des systèmes, il est possible d’en convertir une partie en électricité utilisable pour l’alimentation autonome du système considéré. Un deuxième verrou associé à la miniaturisation des systèmes mécatroniques embarqués a trait au refroidissement des composants utilisés. La fonction d’extraction de la chaleur dissipée doit être assurée tout au long du fonctionnement, tout en étant capable de réagir de manière ponctuelle et rapide en cas de défaut. À cette fin, il convient d’améliorer les transferts de chaleur au sein d’un système donné, grâce notamment à la mise en oeuvre de procédés d’"intensification" des échanges de chaleur. Ces procédés sont généralement passifs. Ils consistent dans la majorité des cas à augmenter et à complexifier les surfaces d’échange au sein des échangeurs de chaleur. Afin d’extraire des puissances volumiques toujours plus importantes la recherche en thermodynamique privilégié aujourd’hui de nouvelles méthodes d’intensification "actives" en rupture technologique avec les techniques passives. Ces techniques exploitent des mécanismes physiques divers dont le point commun réside dans la mise en jeu d’une excitation mécanique d’origine externe. Cette dernière doit être avantageusement contrôlée par voie électrique. Ainsi, face à la problématique précédemment décrite, une double besoin émerge en termes de conversion de l’énergie. Il s’agit d’une part de transformer l’énergie "ambiante", notamment thermique, en électricité (générateurs pyro ou thermoélectriques). D’autre part, l’excitation mécanique requise pour l’intensification active des échanges de chaleur repose sur la mise au point de convertisseurs électromécaniques intégrés (ac1.

(33) 2. Introduction générale. tionneurs électro-actifs). La prise en compte conjointe de cette double fonction peut permettre à terme de réaliser des systèmes autonomes à haute efficacité énergétique, en ce sens que tout ou partie de l’énergie récupérée sous forme électrique peut servir à l’activation des fonctions autonome d’intensification. C’est à la croisée de ces différents questionnements technologiques et scientifiques que se positionnent la présente thèse. Celle-ci s’inscrit dans le développement de deux projets visant à promouvoir les techniques actives de récupération et d’intensification. Il s’agit du projet "SYstèmes de Refroidissement Thermique Intelligent Pour l’Electronique embarquée" (SYRTIPE) financé par la FNRAE et du projet "Contrôle et Intensification des Transferts de chaleur et de masse par Auto-adaptation de la Morphologie des Parois d’Echange" (CITAMPE) financé par le CNRS. Ces projets font intervenir différents partenaires académiques dont l’IUSTI de Marseille et deux équipes du laboratoire LAPLACE de Toulouse à savoir les groupes GREPHE et GREM3. Loin de prétendre au développement finalisé d’un système complet, l’objectif poursuivi consiste à enrichir les connaissances et savoir-faire technologiques requis pour traiter la double problématique de conversion d’énergie précédemment identifiée. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse traitent de la faisabilité d’un système actif d’intensification des échanges de chaleur à partir d’une source d’énergie autonome. A cette fin le mémoire est subdivisée en deux parties relativement indépendantes traitant respectivement de la récupération de l’énergie par effet pyro- ou thermoélectrique d’une part, et de l’intensification active des transferts de chaleur d’autre part. La première partie englobe les 4 premiers chapitres de la thèse. Le premier chapitre de la thèse est dédié à la présentation des phénomènes de conversion thermo-mécano-électrique. Dans un premier temps, chacun des phénomènes étudiés dans la suite de la thèse est présenté avec un bref historique de sa découverte. Par la suite quelques exemples de récupération d’énergie à partir de la chaleur sont présentés. Une fois les différentes conversions présentées, une étude numérique des puissances électriques extractibles pour les deux conversions directes (pyroélectrique et thermoélectrique) est effectuée, dans le deuxième chapitre. Cette étude est basée sur une modélisation théorique des conversions permettant d’évaluer les grandeurs électriques de sortie. Le troisième chapitre traite les conversions pyroélectrique et thermoélectrique de manière expérimentale. Dans une première partie, les éléments actifs utilisés pour la récupération d’énergie sont présentés. Par la suite, les bancs expérimentaux permettant d’appliquer des contraintes thermiques sont décrits. Enfin, les résultats des deux conversions sont exposés et analysés. Le dernier chapitre de cette partie fait la part belle à l’étude des structures de redressement à faible tension de seuil et chute de tension. Trois structures de redresseur sont présentées, deux dites conventionnelles (à diodes Schottky et à MOSFET montés en diode). La dernière structure est celle proposée dans cette thèse, elle utilise des diodes dites "actives". Cette structure est réalisée en utilisant des MOSFET et des comparateurs permettant de réaliser la fonction de diode avec une tension de seuil quasiment nulle. Les.

(34) Introduction générale. 3. résultats de simulation et pratique sont présentés à la fin du chapitre, montrant l’apport de la structure à "diodes actives". La seconde partie des travaux de thèse étudie la mise en mouvement d’une paroi rigide dans l’optique du transport de fluide et de l’intensification des échanges de chaleur. Cette partie se décompose en deux chapitres (le chapitre 5 et 6). Le chapitre cinq de ce manuscrit présente de manière brève l’intensification active des échanges de chaleur ainsi que les différentes techniques électromécaniques, de manière plus précise piézoélectriques, de mettre en mouvement une paroi rigide. Enfin, la solution technologique choisie est présenté avec l’appui de résultats numérique démontrant l’intérêt de cette solution. Le sixième et dernier chapitre présente les étapes de dimensionnement des actionneurs piézoélectriques utilisés pour mouvoir une paroi rigide. Une fois le design de l’actionneur fixé, plusieurs exemplaires ont été réalisés, testés et finalement intégrés au sein d’un démonstrateur d’échangeur de chaleur à morphing électro-actif des parois pour la validation du principe de transport de masse et d’intensification des transferts de chaleur. Les premiers essais sur le démonstrateur sont présentés et des résultats encourageant sont décrits. Dans ce qui suit, nous allons nous attacher à démontrer les potentialités de chaque partie constitutive d’un système actif d’intensification des échanges de chaleur à travers les différents chapitres. Pour enfin conclure sur la faisabilité d’un système autonome et auto-adaptatif, utilisant les technologies étudiées tout au long de cette thèse. L’adaptabilité du système étant réalisable en tirant partie du fait que les éléments de conversion d’énergie (pyroélectrique et thermoélectrique) permettent de remonter à l’image du système thermique, réalisant par la même occasion une fonction de capteur de l’état thermique de l’élément..

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(36) Chapitre 1 Récupération thermo-mécaniques de la chaleur Table des matières 1.1 1.2. 1.3. 1.4. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conversions électro-thermo-mécaniques de l’énergie . . . . . . . 1.2.1 L’effet piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.2 Pincipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 L’effet pyroélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 L’effet thermoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1 Histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.3 Effet Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Récupération d’énergie dissipée sous forme de chaleur . . . . . . 1.3.1 Récupération d’énergie par conversion pyroélectrique . . . . 1.3.1.1 Utilisation des propriétés linéaires . . . . . . . . 1.3.1.2 Récupération par techniques nonlinéaires . . . . . 1.3.1.3 Cycle d’Olsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.4 Cycle d’Ericsson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.5 Cycle SECE "synchronized electric charge extraction" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.6 Cycle SSHI "synchronized switch harvesting on inductor" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Récupération d’énergie par conversion thermoélectrique . . 1.3.3 Récupération d’énergie par autre type de conversion . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6 6 7 7 9 10 10 11 16 16 17 17 19 19 20 22 23 23. . 25 . . . .. 27 29 31 34.

Références

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