WO2017144545A1 - Fluxmètre thermique - Google Patents

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WO2017144545A1
WO2017144545A1 PCT/EP2017/054083 EP2017054083W WO2017144545A1 WO 2017144545 A1 WO2017144545 A1 WO 2017144545A1 EP 2017054083 W EP2017054083 W EP 2017054083W WO 2017144545 A1 WO2017144545 A1 WO 2017144545A1
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WO
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thermal
shims
constriction
support
meter according
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PCT/EP2017/054083
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Inventor
Thierry Chartier
Olivier CARPENTIER
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Artois University
Original Assignee
Artois University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat
    • G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/20—Clinical contact thermometers for use with humans or animals
    • G—PHYSICS
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    • G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G01K17/08—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature
    • G01K17/20—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature across a radiating surface, combined with ascertainment of the heat-transmission coefficient

Definitions

  • the present invention relates to a thermal flux meter (or flowmetric probe), which may especially but not exclusively be used in thermotherapy.
  • a flowmeter generally consists of a combination of thermocouples with a structure in cold and hot junctions.
  • the principle based on such a flowmeter is that the heat transfer through a thermocouple creates an electromotive force (fem), by thermoelectric effects, in particular by the Seebeck effect.
  • This flow meter essentially comprises a dielectric plane support, for example kapton or machinable ceramic, on which are formed thermocouples connected in series and forming Greek mesh (we speak of fluxmeter meandering type). Shims or thermal constriction blocks privilege the passage of the heat flow in each thermocouple, thus creating localized temperature gradients, sources of thermoelectric signals representative of heat flux.
  • a dielectric plane support for example kapton or machinable ceramic
  • thermocouples connected in series and forming Greek mesh (we speak of fluxmeter meandering type). Shims or thermal constriction blocks privilege the passage of the heat flow in each thermocouple, thus creating localized temperature gradients, sources of thermoelectric signals representative of heat flux.
  • thermophysical properties such as the conductivity and the thermal diffusivity of materials
  • its use must be carried out in pairs. This measurement principle implies that the sample to be characterized must be subjected to a temperature gradient.
  • thermo-thermal flowmeter having a continuous strip of a first electrically conductive or semiconducting material covered on at least one of its faces, preferably on its radially outer face, by a succession of zones, separated from each other and constituted by a second material conductor or semiconductor of electricity having a thermoelectric power different from that of the first material, the band extending in the form of a helix.
  • the fluxmeter according to the invention has a generally symmetrical shape of revolution, in particular frustoconical, conical, tubular or cylindrical.
  • revolution By this symmetry of revolution, the determination of the thermophysical properties of a medium is possible using a single sensor.
  • This axial geometry makes it possible to use a single sensor to thermally characterize the medium or follow the evolution of its thermophysical properties.
  • the thermal flowmeter according to the invention by its general form, can be inserted into corrosive media, punching, under pressure, in the soil, organs, etc.
  • the flowmeter can thus make measurements that a planar flux meter can not achieve, for example in a volumetric sample.
  • the flowmeter according to the invention makes it possible, for example, to control the cooking quality of foods used in the composition of dishes prepared for large-scale distribution, the auscultation of structures by monitoring the variations of their thermophysical properties under action of pathologies such as corrosion or alkali-reaction, or the simple measurement of solar thermal radiation for applications in meteorology dedicated to the building such as home automation related to the thermal regulation of the habitat.
  • the thermal flux meter according to the invention has one or more of the following characteristics, taken alone or in combination:
  • the thermal flux meter comprises internal thermal constriction shims, arranged radially inside the strip, and / or external thermal constriction shims, arranged radially outside the strip;
  • the internal thermal constriction wedges are equidistributed angularly
  • the external thermal constriction wedges are angularly equilateral
  • the internal and external thermal constriction wedges are angularly offset, each inner or outer thermal constriction wedge preferably being located angularly at middle of two shims outer thermal constriction, respectively internal, successive;
  • the heat flow meter further comprises a heat source, preferably adjustable;
  • the heat source comprises a resistive wire, adapted to be connected to an electric generator
  • the thermal flowmeter further comprises a ribbon for homogenizing the heat transfer created by the resistive wire, wound radially outside the resistive wire;
  • the thermal flux meter comprises a regulator, in particular a PID regulator, able to regulate the setpoint of the heat source as a function of a measured temperature and / or heat flux;
  • the thermal flux meter further comprises a coating of electrical insulating material, for example epoxy resin, around the strip and / or internal and / or external thermal constriction shims and / or the resistive wire of the heat source and / or heat transfer homogenization ribbon created by the resistive wire;
  • electrical insulating material for example epoxy resin
  • the thermal flux meter comprises a support, in particular tubular or solid, with a helical groove preferably on its radially outer surface, intended to receive the resistive wire of the heat source and / or the homogenization ribbon of the heat transfer created. by the resistive wire, if any, and / or the coating of electrical insulating material;
  • the support has one or more longitudinal grooves for receiving the internal thermal constriction shims and / or the encapsulation of electrical insulating material;
  • the thermal flow meter comprises a tubular outer wall, preferably cylindrical;
  • the thermal flux meter further comprises at least one temperature sensor, in particular:
  • a temperature sensor disposed inside the tubular outer wall, in particular in contact with the tubular outer wall, and / or
  • a temperature sensor disposed in the vicinity of the heat source, and / or
  • a temperature sensor disposed inside the support, in particular when the support is hollow.
  • the invention relates to a method for manufacturing a thermal flux meter, in particular a thermal flux meter as described above in all its combinations, comprising the steps of:
  • thermoelectric power different from that of the first material, for example by localized deposits on the strip of the second matter.
  • the method according to the invention further comprises at least one of the following steps, consisting of: providing a support preferably having a helical groove and / or a plurality of longitudinal grooves, the strip then being wound around the support, in the helical groove where appropriate,
  • FIG. 1 shows schematically a cross section of an example heat flow meter
  • FIG. 2 shows schematically in perspective a support that can be implemented in the thermal flowmeter of Figure 1;
  • FIG. 3 represents a flowchart of an exemplary manufacturing method using the flowmeter of FIG. 1.
  • Figure 1 schematically illustrates a cross section of a thermal flux meter 10.
  • the heat flux meter 10 of FIG. 1 comprises first of all a support 12, shown in perspective in FIG.
  • the support 12 is preferably tubular, having a hollow cylindrical central space 14. However, according to a variant not illustrated, the support 12 is full.
  • the support 12 is for example made of plastic material, in particular PVC.
  • the support 12 here has an outside diameter of less than 2 cm, in particular equal to 1 cm, and a length of between 5 and 15 cm, for example equal to 10 cm.
  • the support 12 has on a first section 16 a helical groove 18 and a plurality of longitudinal grooves 20.
  • the helical groove 18 is formed on a height of approximately 5 cm from the support 12.
  • the helical grooves 18 and longitudinal grooves 20 are, for example, made by threading.
  • the longitudinal grooves are here twelve in number.
  • the support 12 has teeth 24, essentially intended to facilitate the organization of the wiring of the thermal flowmeter 10.
  • the helical groove 18 here receives a resistive wire 26, covered on its radially outer side by a copper ribbon 28, to improve the sensitivity of the meter. According to a variant not illustrated, however, the resistive wire 26 is not covered by a copper ribbon 28.
  • the resistive wire 26 is intended to be connected to an electric generator, for example a current generator, to form a heat source.
  • a regulator in particular a PID regulator, may be provided for regulating the setpoint of the heat source as a function of a measured temperature and / or heat flux (es).
  • this resistive wire may advantageously be used to heat the tissues to be treated, especially for tumors.
  • the support 12 also receives, in some of the longitudinal grooves 20, so-called internal thermal constriction shims 30. These internal thermal constriction shims 30 are received in half of the longitudinal grooves 20.
  • the internal thermal constriction shims 30 are preferably arranged in a longitudinal groove 20 on two, to be equidistributed angularly around the support 12. These shims thermal constriction
  • the internals 30 are here brass, but they can be of any kind capable of transferring heat adequately. They are here of square section, but other forms of their section are possible.
  • the internal thermal constriction shims 30, the resistive wire 26 and the ribbon 28 disposed radially outside this resistive wire 26, are embedded in an epoxy resin.
  • This resin thus fills spaces and interstices.
  • This resin leaves the radially outer end of the internal thermal constriction shims 30 free, so that there is formed a surface alternation between the internal thermal constriction shims 30 and the resin, which makes it possible to modify the radial heat transfer. , in favor of the deviation of the heat flow in the internal thermal constriction shims 30.
  • the contrast of the thermal conductivities between the epoxy resin and the internal thermal constriction shims 30 makes it possible to promote the transfer of energy, as far as possible, via the path of the highest conductivities of the flux meter 10.
  • the internal tangential gradient of the thermocouples formed on a constantan strip 32 wound around the epoxy resin is maximized by depositing on the radially outer surface of the constantan strip 32 of copper deposits, the constantan strip being preferably insulated from the internal thermal constriction shims 30 by epoxy resin.
  • the internal thermal constriction shims 30 indeed collect the heat diffused by the copper ribbon and concentrate it at the level of thermojunctions located on or below the constantan band 32. The increase in the local density of the flux at these thermojunctions creates a hot junction on the lower part of the thermocouples.
  • the internal thermal constriction shims 30 are positioned such that their radially outer end is substantially at the same radial level as the radially outer vertex of the longitudinal grooves, so that the internal thermal constriction shims extend substantially tangentially to the vertex of the longitudinal grooves. these longitudinal grooves.
  • Another groove of a width for example of 1 mm, can be made, in particular by milling. This other groove makes it possible to create a reservation for the insertion of a temperature sensor embedded in the epoxy resin.
  • a temperature sensor arranged in this way, makes it possible to monitor the temperature of the resistive wire 26 and, thus, to avoid its destruction.
  • the constantan strip 32 is helically wound around the support 12 and the epoxy resin.
  • the constantan strip 32 is electrically insulated from the internal thermal constriction shims 30 by the epoxy resin.
  • the constantan strip 32 may be bonded to the epoxy resin.
  • helically wound is meant that the constantan band 32 forms turns (or loops) extending over a certain height.
  • the turns are preferably identical, of circular section, the winding being then helical.
  • the pitch of the winding is here chosen equal to 0.5 mm, the constantan strip 32 having a thickness of 0.2 to 0.3 mm. This avoids a short circuit for one turn of the constantan 32 band.
  • thermocouples On the radially outer surface of the constantan strip 32, separate deposits of copper are formed, thus forming so-called plated thermocouples, the set of thermocouples made in series forming a thermopile.
  • thermocouples There may be provided an electrical insulator layer on the radially outer surface of the functionalized constantan ribbon, covering the thermocouples.
  • Thermal constriction shims 34 are provided radially outwardly with respect to the constantan strip 32 and the thermocouples, or even with respect to the insulating layer, as the case may be.
  • the external thermal constriction shims 34 are equidistributed angularly.
  • the angular difference between the internal thermal constriction shims and external thermal constriction shims here is homogeneous and optimized, especially maximized.
  • the external thermal constriction shims 34 are angularly shifted with respect to copper-coated areas of the constantan strip.
  • a liner of the thermal flux meter 10 is provided by means of a tube or a sleeve 38, here copper.
  • the tube 38 acts as a thermal collector while providing mechanical protection for the various elements of the thermal flux meter 10.
  • the tube 38 may in turn be covered with a layer of electrical insulator, especially in the form of a varnish, and / or a layer of biocompatible and / or nonadhesive agent, for example in the form of a layer of polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the heat flow meter 10 of FIG. 1 can in particular be implemented by implementing a manufacturing method 100 as schematically illustrated in FIG. 3.
  • a support 12 having a helical groove and / or a plurality of longitudinal grooves.
  • This support 12 may be produced by molding, 3D printing, or machining of plastic material followed, if necessary, by one or more machining steps, in particular milling, to form the helical and / or longitudinal grooves.
  • the end of the support can also be pierced with two holes in order to return the constantan band in the other direction than that of its winding around the support and thus ensure a connection on one side of the flowmeter.
  • the resistive wire 26 is wound around the support 12, preferably in the helical groove.
  • the end of the support 12 is preferably pierced, to allow the return of the resistive wire and ensure a connection on one side of the support 12.
  • a copper ribbon is wound radially outside the resistive wire 26, preferably in the helical groove of the support, to homogenize the transfer of heat created by the resistive wire 26.
  • the internal thermal constriction shims 30 are put in place and, preferably, bonded in at least some of the longitudinal grooves formed in the support, in particular in one longitudinal groove out of two.
  • step 110 immediately afterwards, the assembly thus formed is embedded in an epoxy resin.
  • this coating material can be machined to obtain a generally cylindrical shape. Sanding can be done. Also, milling can be performed in the resin to create a reservation for the insertion of a temperature sensor.
  • the method of manufacturing the flowmeter then comprises a step 112 of winding the constantan band around the epoxy resin, the constantan band can be glued to the resin.
  • the assembly embedded in the epoxy resin may be coated with adhesive, the constantan strip being wound around the drowned assembly.
  • one end of the constantan strip passes through the support 12 to return from the inside of the support to the end where the winding begins.
  • the constantan strip can then be sanded and / or degreased to prepare the functionalization step, especially when this functionalization step is performed by electrodeposition.
  • An electrical isolation step can also be provided at this stage, especially if the glue used to glue the constantan strip conducts electricity.
  • the constantan band is then, at step 114, functionalized by copper deposition forming a succession of copper covered zones, separated from each other on the constantan band.
  • the probe can be sealed at its ends. Copper plating is performed to obtain the desired copper thickness. Masks are then periodically placed on portions of the strip and chemical etching of the unmasked copper is performed. The masks are then removed. The probe can then be immersed in a bath that dissolves the glue of the masks without degrading the functionalized ribbon or the rest of the probe.
  • thermopile only areas not coated with copper of the constantan ribbon are masked, the copper being electrodeposited on the unmasked areas.
  • This second solution can be completed by a removal of the masks and a mechanical and chemical cleaning to finalize the thermopile.
  • the external thermal constriction shims are put in place.
  • step 118 the external thermal constriction shims are embedded in an epoxy resin to restore a substantially cylindrical shape to the resulting subassembly. Machining of the epoxy resin layer may be provided to give it a substantially cylindrical shape. In addition, sanding of the resin layer can be provided.
  • the flowmeter is then closed in a step 120 by inserting the subassembly obtained in step 118 into an outer copper tube.
  • the outer tube may have previously been subjected to a surface treatment. It may in particular have been coated with a varnish to create electrical insulation, improve its thermal conduction and / or make it biocompatible. Other functionalizations of the tube using a surface treatment are possible, depending on the intended application of the flowmeter.
  • the tube is preferably closed at one end, in particular by a conically shaped element to facilitate the insertion of the probe in a test medium.
  • the design of the flowmeter allows the determination of the thermophysical properties of a medium such as conductivity, diffusivity and thermal effusivity. Knowledge of these properties can be used to feed mathematical models and / or to observe or anticipate changes in heat flux within a material.
  • the flow measurement makes it possible to anticipate the temperature variation and / or to regulate it more finely.
  • Knowledge of a flow of For example, with a control device, for example a PID regulator, heat can not exceed a set temperature.
  • the present invention is not limited to the example described above, but is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art.
  • thermocouples may be made by any strip of a first electrically conductive or semiconductive material, covered on at least one of its faces by a succession of zones separated from each other and constituted by a second material conductor or semiconductor of electricity having a thermoelectric power different from that of the first material.
  • a resistive wire to form a heat source internal to the flowmeter may be particularly advantageous in some applications.
  • it can be used to implement the flow meter as a heat therapy probe.
  • the heat source can, however, take other forms.
  • a laser or microcirculation of hot water can be implemented as a source of heat.
  • the constantan ribbon, functionalized, can also be implemented as a source of heat.
  • the fluxmeter may not include a resistive wire or a wire covering the resistive wire to homogenize the transfer of heat created by the resistive wire.
  • the flowmeter may comprise, in addition to or instead of the sensor dedicated to the measurement of the temperature of the resistive wire:
  • a temperature sensor disposed under the sleeve 38, preferably in contact with the sleeve 38, to allow a determination of the temperature of the medium in which the probe is immersed without disturbing the medium;
  • a temperature sensor disposed at the support center 12, in particular in the hollow cylindrical central space 14, in order to verify the theoretical behavior of the probe and / or its correct operation.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un fluxmètre thermique (10) à thermocouples, comportant une bande (32) continue en une première matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité recouverte sur au moins une de ses faces, de préférence sur sa face radialement externe, par une succession de zones, séparées les unes des autres et constituées par une seconde matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière, la bande (32) s'étendant en forme d'hélice.

Description

FLUXMÈTRE THERMIQUE
La présente invention se rapporte à un fluxmètre thermique (ou sonde fluxmétrique), pouvant notamment, mais non exclusivement, être mis en œuvre en thermothérapie.
Un fluxmètre consiste généralement en une association de thermocouples avec une structuration en jonctions froides et chaudes. Le principe à base d'un tel fluxmètre est que le transfert de chaleur à travers un thermocouple crée une force électromotrice (fém), par effets thermoélectriques, notamment par effet Seebeck.
Il existe de nombreux types de fluxmètres, notamment le fluxmètre dit à gradient tangentiel.
Ce fluxmètre comprend essentiellement un support plan diélectrique, par exemple en kapton ou en céramique usinable, sur lequel sont formés des thermocouples reliés en série et en formant des mailles grecques (on parle de fluxmètre de type méandriforme). Des cales ou plots de constriction thermique privilégient le passage du flux de chaleur dans chaque thermocouple, créant ainsi des gradients de température localisés, sources de signaux thermoélectriques représentatifs de flux de chaleur.
Un tel fluxmètre à gradient tangentiel est par exemple décrit dans le document WO-
A- 1984/002037.
L'absence de paroi auxiliaire dans ce type de fluxmètre permet d'en minimiser l'épaisseur, d'augmenter la présence relative de la partie métallique et donc de réduire le temps de réponse et d'en diminuer l'effet perturbateur lorsqu'il est positionné entre deux milieux soumis à un transfert de chaleur. Ce type de fluxmètre est cependant par principe très intrusif. La réduction de la plaque support pourrait être envisagée, mais elle induirait une réduction du nombre de thermocouples et donc une moins bonne précision de mesure du fluxmètre.
De plus, pour la détermination des propriétés thermophysiques telles que la conductivité et la diffusivité thermique de matériaux, son usage doit s'effectuer par paire. Ce principe de mesure implique que l'on doit soumettre l'échantillon à caractériser à un gradient de température.
Il existe donc un besoin pour un fluxmètre ne présentant pas les inconvénients susmentionnés.
A cette fin l'invention propose un fluxmètre thermique à thermo coup les, comportant une bande continue en une première matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité recouverte sur au moins une de ses faces, de préférence sur sa face radialement externe, par une succession de zones, séparées les unes des autres et constituées par une seconde matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière, la bande s'étendant en forme d'hélice.
Ainsi, avantageusement, le fluxmètre selon l'invention présente une forme générale à symétrie de révolution, notamment tronconique, conique, tubulaire ou cylindrique. De par cette symétrie de révolution, la détermination des propriétés thermophysiques d'un milieu est possible à l'aide d'un seul capteur. Cette géométrie axiale permet en effet d'utiliser un seul capteur afin de caractériser thermiquement le milieu ou suivre l'évolution de ses propriétés thermophysiques.
Par ailleurs, le fluxmètre thermique selon l'invention, de par sa forme générale, peut être inséré dans des milieux corrosifs, poinçonnant, sous pression, dans le sol, les organes, etc. Le fluxmètre peut ainsi réaliser des mesures qu'un fluxmètre plan ne peut réaliser, par exemple dans un échantillon volumétrique. Le fluxmètre selon l'invention permet par exemple de contrôler la qualité de cuisson d'aliments entrant dans la composition de plats préparés pour la grande distribution, l'auscultation d'ouvrages d'art par le suivi des variations de leurs propriétés thermophysiques sous l'action de pathologies telles que la corrosion ou Γ alcali-réaction, ou la mesure simples du rayonnement solaire thermique pour des applications en météorologie dédiée au bâtiment telles que la domotique liée à la régulation thermique de l'habitat.
Selon des modes de réalisation préférés, le fluxmètre thermique selon l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le fluxmètre thermique comprend des cales de constriction thermique internes, disposées radialement à l'intérieur de la bande, et/ou des cales de constriction thermique externes, disposées radialement à l'extérieur de la bande ;
- les cales de constriction thermique internes sont équiréparties angulairement, les cales de constriction thermique externes sont équiréparties angulairement, et les cales de constriction thermique internes et externes sont décalées angulairement, chaque cale de constriction thermique interne, respectivement externe, étant de préférence située angulairement au milieu de deux cales de constriction thermique externes, respectivement internes, successives ;
- le fluxmètre thermique comporte en outre une source de chaleur, de préférence réglable ;
- la source de chaleur comporte un fil résistif, apte à être relié à un générateur électrique ;
- le fluxmètre thermique comporte en outre un ruban d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif, enroulé radialement à l'extérieur du fil résistif ; - le fluxmètre thermique comporte un régulateur, notamment un régulateur PID, apte à réguler la consigne de la source de chaleur en fonction d'une température et/ou d'un flux thermique mesuré(e)(s) ;
- le fluxmètre thermique comporte en outre un enrobage en matériau isolant électrique, par exemple en résine époxy, autour de la bande et/ou des cales de constriction thermique internes et/ou externes et/ou du fil résistif de la source de chaleur et/ou du ruban d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif ;
- le fluxmètre thermique comprend un support, notamment tubulaire ou plein, avec de préférence une rainure hélicoïdale sur sa surface radialement externe, destinée à recevoir le fil résistif de la source de chaleur et/ou le ruban d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif, le cas échéant, et/ou l'enrobage en matériau isolant électrique ;
- le support présente une ou des rainures longitudinales pour recevoir les cales de constriction thermique internes et/ou l'enrobage en matériau isolant électrique ;
- le fluxmètre thermique comprend une paroi extérieure tubulaire, de préférence cylindrique ;
- le fluxmètre thermique comporte en outre au moins un capteur de température, notamment :
- un capteur de température disposé à l'intérieur de la paroi extérieure tubulaire, notamment au contact de la paroi extérieure tubulaire, et/ou
- un capteur de température disposé au voisinage de la source de chaleur, et/ou
- un capteur de température disposé à l'intérieur du support, notamment quand le support est creux.
Selon un autre aspect, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique, en particulier d'un fluxmètre thermique tel que décrit ci-avant dans toutes ses combinaisons, comprenant les étapes consistant à :
- bobiner une bande d'une première matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité en forme d'hélice,
- recouvrir une succession de zones, séparées les unes des autres, de la bande, avec une seconde matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière, par exemple par dépôts localisés sur la bande, de la seconde matière.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre au moins une des étapes suivantes, consistant à : - fournir un support présentant de préférence une rainure hélicoïdale et/ou une pluralité de rainures longitudinales, la bande étant ensuite bobinée autour du support, dans la rainure hélicoïdale le cas échéant,
- bobiner un fil résistif sur le support, dans la rainure hélicoïdale le cas échéant,
- bobiner un ruban en matériau conducteur de la chaleur, radialement à l'extérieur du fil résistif, dans la rainure hélicoïdale le cas échéant,
- mettre en place des cales de constriction thermique internes, dans au moins certaines des rainures longitudinales le cas échéant,
- enrober de résine et/ou de colle,
- mettre en place des cales de constriction thermique externes, et
- fermer le fluxmètre par insertion dans un tube externe.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en regard des dessins sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement une section transversale d'un exemple de fluxmètre thermique ;
- la figure 2 représente schématiquement en perspective un support pouvant être mis en œuvre dans le fluxmètre thermique de la figure 1 ;
- la figure 3 représente un ordinogramme d'un exemple de procédé de fabrication à l'aide du fluxmètre de la figure 1.
La figure 1 illustre schématiquement une section transversale d'un fluxmètre thermique 10.
Le fluxmètre thermique 10 de la figure 1 comporte tout d'abord un support 12, représenté en perspective sur la figure 2.
Le support 12 est de préférence tubulaire, présentant un espace central 14 cylindrique, creux. Cependant, selon une variante non illustrée, le support 12 est plein.
Le support 12 est par exemple réalisé en matériau plastique, notamment en PVC.
Le support 12 présente ici un diamètre extérieur inférieur à 2 cm, notamment égal à 1 cm, et une longueur comprise entre 5 et 15 cm, par exemple égale à 10 cm.
Comme cela est visible sur la figure 2 notamment, le support 12 présente sur un premier tronçon 16, une rainure hélicoïdale 18 et une pluralité de rainures longitudinales 20. La rainure hélicoïdale 18 est réalisée sur une hauteur d'environ 5 cm du support 12.
Les rainures hélicoïdales 18 et longitudinales 20 sont, par exemple, réalisées par filetage. Les rainures longitudinales sont ici au nombre de douze. Sur un deuxième tronçon 22, le support 12 présente des dents 24, essentiellement destinées à faciliter l'organisation du câblage du fluxmètre thermique 10. La rainure hélicoïdale 18 reçoit ici un fil résistif 26, recouvert sur son côté radialement externe par un ruban en cuivre 28, afin d'améliorer la sensibilité du f uxmètre. Selon une variante non illustrée, cependant, le fil résistif 26 n'est pas recouvert par un ruban en cuivre 28.
Le fil résistif 26 est destiné à être relié à un générateur électrique, par exemple un générateur de courant, pour former une source de chaleur. Un régulateur, notamment un régulateur PID, peut être prévu pour réguler la consigne de la source de chaleur en fonction d'une température et/ou d'un flux thermique mesuré(e)(s). Dans le cas de la thermothérapie, ce fil résistif peut avantageusement être mis en œuvre pour chauffer les tissus à traiter, notamment pour le cas de tumeurs.
Le ruban en cuivre 28, recouvrant le fil résistif 26 sur son côté radialement externe, permet d'homogénéiser le transfert de la chaleur créée par le fil résistif 26 traversé par un courant électrique.
Le support 12 reçoit également, dans certaines des rainures longitudinales 20, des cales de constriction thermique 30 dites internes. Ces cales de constriction thermique internes 30 sont reçues dans la moitié des rainures longitudinales 20. Les cales de constriction thermique internes 30 sont de préférence disposées dans une rainure longitudinale 20 sur deux, pour être équiréparties angulairement autour du support 12. Ces cales de constriction thermique internes 30 sont ici en laiton, mais elles peuvent être de toute nature susceptible de transférer la chaleur de manière adéquate. Elles sont ici de section carrée, mais d'autres formes de leur section sont possibles.
Les cales de constriction thermique internes 30, le fil résistif 26 et le ruban 28 disposé radialement à l'extérieur de ce fil résistif 26, sont noyés dans une résine époxy. Cette résine comble ainsi les espaces et interstices. Cette résine laisse cependant libre l'extrémité radialement externe des cales de constriction thermique internes 30, de sorte qu'il est formé une alternance en surface entre les cales de constriction thermique internes 30 et la résine, qui permet de modifier le transfert radial de chaleur, privilégiant la déviation du flux thermique dans les cales de constriction thermique internes 30. Le contraste des conductivités thermiques entre la résine époxy et les cales de constriction thermique internes 30 permet de favoriser le transfert d'énergie, autant que possible, via le chemin des conductivités les plus élevées du fluxmètre 10. On maximise ainsi le gradient tangentiel interne des thermocouples formés sur une bande de constantan 32 bobinée autour de la résine époxy, par dépôt sur la surface radialement externe de la bande de constantan 32 de dépôts de cuivre, la bande de constantan étant de préférence isolée des cales de constriction thermique internes 30 par la résine époxy. Les cales de constriction thermique internes 30 collectent en effet la chaleur diffusée par le ruban de cuivre et la concentre au niveau de thermojonctions situées sur ou sous la bande de constantan 32. L'augmentation de la densité locale du flux au niveau de ces thermojonctions crée une jonction chaude sur la partie inférieure des thermocouples.
Les cales de constriction thermique internes 30 sont positionnées de telle sorte que leur extrémité radialement externe est sensiblement au même niveau radial que le sommet radialement externe des rainures longitudinales, de telle sorte que les cales de constriction thermique internes s'étendent sensiblement tangentiellement au sommet de ces rainures longitudinales.
Une autre rainure, d'une largeur par exemple d' 1 mm, peut être réalisée, notamment par fraisage. Cette autre rainure permet de créer une réservation en vue de l'insertion d'un capteur de température noyé dans la résine époxy. Un capteur de température, disposé de la sorte, permet de surveiller la température du fil résistif 26 et, ainsi, d'en éviter la destruction.
La bande de constantan 32 est bobinée en hélice autour du support 12 et de la résine époxy. La bande de constantan 32 est isolée électriquement des cales de constriction thermique internes 30 par la résine époxy. La bande de constantan 32 peut être collée sur la résine époxy.
Par « bobinée en hélice », on entend que la bande de constantan 32 forme des tours (ou boucles) en s'étendant sur une certaine hauteur. Les tours sont de préférence identiques, de section circulaire, le bobinage étant alors hélicoïdal.
Le pas de l'enroulement est ici choisi égal à 0,5 mm, la bande de constantan 32 présentant une épaisseur de 0,2 à 0,3 mm. Ceci permet d'éviter un court-circuit pour un tour de la bande de constantan 32.
Sur la surface radialement externe de la bande de constantan 32, sont réalisés des dépôts séparés de cuivre, formant ainsi des thermocouples dits plaqués, l'ensemble des thermocouples réalisés en série formant une thermopile.
II peut être prévu une couche d'isolant électrique sur la surface radialement externe du ruban de constantan fonctionnalisé, recouvrant les thermocouples.
Des cales de constriction thermique 34 sont prévues radialement à l'extérieur par rapport à la bande de constantan 32 et aux thermocouples, voire par rapport à la couche d'isolant, le cas échéant. Les cales de constriction thermique externes 34 sont équiréparties angulairement. En outre, l'écart angulaire entre les cales de constriction thermique internes et les cales de constriction thermique externes est ici homogène et optimisé, notamment maximisé. Telles qu'illustrées, les cales de constriction thermique externes 34 sont décalées angulairement par rapport aux zones de la bande de constantan recouvertes de cuivre.
Une couche de résine de type époxy 36 est coulée autour de l'ensemble et noie les cales de constriction thermique externes 34. Enfin, un chemisage du fluxmètre thermique 10 est prévu au moyen d'un tube ou d'une douille 38, ici en cuivre. Le tube 38 joue le rôle de collecteur thermique tout en assurant une protection mécanique des différents éléments du fluxmètre thermique 10. Le tube 38 peut à son tour être recouvert d'une couche d'isolant électrique, notamment sous la forme d'un vernis, et/ou d'une couche d'agent de biocompatibilité et/ou antiadhésif, par exemple sous la forme d'une couche de polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Le fluxmètre thermique 10 de la figure 1 peut notamment être réalisé en mettant en œuvre un procédé de fabrication 100 tel qu'illustré schématiquement à la figure 3.
Dans une première étape 102, on fournit un support 12 présentant une rainure hélicoïdale et/ou une pluralité de rainures longitudinales. Ce support 12 peut être réalisé par moulage, impression 3D, ou usinage de matériau plastique suivi si nécessaire d'une ou plusieurs étapes d'usinage, notamment de fraisage, pour former les rainures hélicoïdales et/ou longitudinales. L'extrémité du support peut également être percée de deux trous afin de faire revenir la bande de constantan dans l'autre sens que celui de son bobinage autour du support et ainsi assurer une connectique d'un seul côté du fluxmètre.
Puis, dans une étape 104, le fil résistif 26 est bobiné autour du support 12, de préférence dans la rainure hélicoïdale. L'extrémité du support 12 est de préférence percé, pour permettre le retour du fil résistif et assurer une connectique d'un seul côté du support 12.
Ensuite, à une étape 106, un ruban de cuivre est bobiné radialement à l'extérieur du fil résistif 26, de préférence dans la rainure hélicoïdale du support, pour homogénéiser le transfert de la chaleur créée par le fil résistif 26.
Dans une étape successive 108, les cales de constriction thermique internes 30 sont mises en place et, de préférence, collées, dans au moins certaines des rainures longitudinales formées dans le support, notamment dans une rainure longitudinale sur deux.
A l'étape 110 immédiatement ultérieure, l'ensemble ainsi formé est noyé dans une résine époxy.
Une fois déposé le matériau d'enrobage que constitue la résine époxy, ce matériau d'enrobage peut être usiné afin d'obtenir une forme générale cylindrique. Un ponçage peut être effectué. Également, un fraisage peut être effectué dans la résine pour créer une réservation en vue de l'insertion d'un capteur de température.
Le procédé de fabrication du fluxmètre comprend alors une étape 112 consistant à bobiner la bande de constantan autour de la résine époxy, la bande de constantan pouvant être collée sur la résine. Pour ce faire, l'ensemble noyé dans la résine époxy peut être enduit d'adhésif, la bande de constantan étant bobiné autour de l'ensemble noyé. De préférence, une extrémité de la bande de constantan traverse le support 12 pour revenir par l'intérieur du support à l'extrémité où le bobinage débute. La bande de constantan peut alors être poncée et/ou dégraissée pour préparer l'étape de fonctionnalisation, notamment quand cette étape de fonctionnalisation est réalisée par électrodéposition.
Une étape d'isolation électrique peut également être prévue à ce stade, notamment si la colle utilisée pour coller la bande de constantan conduit l'électricité.
La bande de constantan est ensuite, à l'étape 114, fonctionnalisée par dépôt de cuivre formant une succession de zones recouvertes de cuivre, séparées les unes des autres sur la bande de constantan. Pour ce faire, la sonde peut être étanchéifïée à ses extrémités. L' électrodéposition de cuivre est réalisée pour obtenir l'épaisseur de cuivre voulue. Puis des masques sont disposés périodiquement sur des portions de la bande et une attaque chimique du cuivre non masqué est réalisée. Les masques sont alors retirés. La sonde peut alors être plongée dans un bain qui dissout la colle des masques sans dégrader le ruban fonctionnalisé, ni le reste de la sonde.
En variante, seules les zones à ne pas revêtir de cuivre du ruban de constantan sont masquées, le cuivre étant électrodéposé sur les zones non masquées. Cette deuxième solution peut être complétée par un retrait des masques et un nettoyage mécanique et chimique pour finaliser la thermopile.
À l'étape 116 ultérieure, les cales de constriction thermique externes sont mises en place.
À l'étape 118, on noie les cales de constriction thermique externes dans une résine de type époxy pour redonner une forme sensiblement cylindrique au sous-ensemble obtenu. Un usinage de la couche de résine époxy peut être prévu pour donner lui donner une forme sensiblement cylindrique. De plus, un ponçage de la couche de résine peut être prévu.
On procède alors, à une étape 120, à la fermeture du fluxmètre en insérant le sous- ensemble obtenu à l'étape 118 dans un tube externe en cuivre. Le tube externe peut préalablement avoir été soumis à un traitement de surface. Il peut notamment avoir été recouvert d'un vernis pour créer une isolation électrique, améliorer sa conduction thermique et/ou le rendre biocompatible. D'autres fonctionnalisations du tube à l'aide d'un traitement de surface sont possibles, en fonction de l'application envisagée du fluxmètre.
Le tube est de préférence fermé à une extrémité, notamment par un élément de forme conique pour faciliter l'insertion de la sonde dans un milieu à tester.
La conception du fluxmètre permet la détermination des propriétés thermophysiques d'un milieu telles que la conductivité, la diffusivité et l'effusivité thermique. La connaissance de ces propriétés peut servir à alimenter des modèles mathématiques et/ou à observer ou anticiper des changements de flux de chaleur au sein d'un matériau. La mesure de flux permet d'anticiper la variation de température et/ou de la réguler plus finement. La connaissance d'un flux de chaleur permet par exemple avec un dispositif d'asservissement, par exemple un régulateur PID, de ne pas dépasser une température de consigne.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-avant, mais est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.
Tout d'abord, les matériaux indiqués dans la description qui précède ne sont donnés qu'à titre illustratif. Notamment, les thermocouples peuvent être réalisés par toute bande d'une première matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité, recouverte sur au moins une de ses faces par une succession de zones, séparées les unes des autres et constituées par une seconde matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière.
En outre, la présence d'un fil résistif pour former une source de chaleur interne au fluxmètre peut être particulièrement avantageuse dans certaines applications. Ainsi, notamment, il peut permettre de mettre en œuvre le fluxmètre comme sonde de thermo thérapie. La source de chaleur peut cependant prendre d'autres formes. Notamment, un laser ou une microcirculation d'eau chaude peuvent être mis en œuvre comme source de chaleur.
Le ruban de constantan, fonctionnalisé, peut également être mis en œuvre comme source de chaleur.
En outre, dans d'autres applications, il peut être préféré d'avoir une source de chaleur séparée, distante du fluxmètre. Dans ce cas, le fluxmètre peut ne pas comporter un fil résistif, ni un fil recouvrant ce fil résistif pour homogénéiser le transfert de la chaleur créée par ce fil résistif.
Enfin, le fluxmètre peut comporter, en sus ou à la place du capteur dédié à la mesure de la température du fil résistif :
- un capteur de température disposé sous la douille 38, de préférence au contact de cette douille 38, pour permettre une détermination de la température du milieu dans laquelle la sonde est plongée, sans perturber le milieu ; et/ou
- un capteur de température disposé au centre de support 12, notamment dans l'espace central 14 cylindrique creux, dans le but de vérifier le comportement théorique de la sonde et/ou son fonctionnement correct.

Claims

REVENDICATIONS
1. Fluxmètre thermique (10) à thermocouples, comportant une bande (32) continue en une première matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité recouverte sur au moins une de ses faces, de préférence sur sa face radialement externe, par une succession de zones, séparées les unes des autres et constituées par une seconde matière conductrice ou semi- conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière, la bande (32) s'étendant en forme d'hélice.
2. Fluxmètre thermique selon la revendication 1, comprenant des cales de constriction thermique internes (30), disposées radialement à l'intérieur de la bande (32), et/ou des cales de constriction thermique externes (34), disposées radialement à l'extérieur de la bande (32).
3. Fluxmètre thermique selon la revendication 2, dans lequel les cales de constriction thermique internes (30) sont équiréparties angulairement, les cales de constriction thermique externes (34) sont équiréparties angulairement, et les cales de constriction thermique internes (30) et externes (34) sont décalées angulairement, chaque cale de constriction thermique interne (30), respectivement externe (34), étant de préférence située angulairement au milieu de deux cales de constriction thermique externes (34), respectivement internes (30), successives.
4. Fluxmètre thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une source de chaleur (26), de préférence réglable.
5. Fluxmètre thermique selon la revendication 4, dans lequel la source de chaleur comporte un fil résistif (26), apte à être relié à un générateur électrique.
6. Fluxmètre thermique selon la revendication 5, comportant en outre un ruban (28) d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif (26), enroulé radialement à l'extérieur du fil résistif (26).
7. Fluxmètre thermique selon l'une des revendications 4 à 6, comportant un régulateur, notamment un régulateur PID, apte à réguler la consigne de la source de chaleur (26) en fonction d'une température et/ou d'un flux thermique mesuré(e)(s).
8. Fluxmètre thermique selon la revendication précédente, comportant en outre un enrobage (36) en matériau isolant électrique, par exemple en résine époxy, autour de la bande
(30) et/ou des cales de constriction thermique internes (30) et/ou externes (34) et/ou du fil résistif (26) de la source de chaleur et/ou du ruban (28) d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif (26).
9. Fluxmètre thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un support (12), notamment tubulaire ou plein, avec de préférence une rainure hélicoïdale (18) sur sa surface radialement externe, destinée à recevoir le fil résistif (26) de la source de chaleur et/ou le ruban (28) d'homogénéisation du transfert de la chaleur créée par le fil résistif (26), le cas échéant, et/ou l'enrobage (36) en matériau isolant électrique.
10. Fluxmètre thermique selon la revendication 9, dans lequel le support (12) présente une ou des rainures longitudinales (20) pour recevoir les cales de constriction thermique internes (30) et/ou l'enrobage (36) en matériau isolant électrique.
11. Fluxmètre thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une paroi extérieure tubulaire (38), de préférence cylindrique.
12. Fluxmètre thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre au moins un capteur de température, notamment :
- un capteur de température disposé à l'intérieur de la paroi extérieure tubulaire (38), notamment au contact de la paroi extérieure tubulaire, et/ou
- un capteur de température disposé au voisinage de la source de chaleur (26), et/ou
- un capteur de température disposé à l'intérieur du support (12), notamment quand le support (12) est creux.
13. Procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique, en particulier d'un fluxmètre thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes consistant à :
- bobiner (112) une bande (32) d'une première matière conductrice ou semi- conductrice de l'électricité en forme d'hélice,
- recouvrir (114) une succession de zones, séparées les unes des autres, de la bande (32), avec une seconde matière conductrice ou semi-conductrice de l'électricité ayant un pouvoir thermoélectrique différent de celui de la première matière, par exemple par dépôts localisés sur la bande (32), de la seconde matière.
14. Procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique selon la revendication 13, comprenant en outre au moins une des étapes suivantes, consistant à :
- fournir (102) un support (12) présentant de préférence une rainure hélicoïdale (18) et/ou une pluralité de rainures longitudinales (20), la bande (32) étant ensuite bobinée autour du support (12), dans la rainure hélicoïdale (18) le cas échéant, - bobiner (104) un fïl résistif (26) sur le support (12), dans la rainure hélicoïdale (18) le cas échéant,
- bobiner (106) un ruban (28) en matériau conducteur de la chaleur, radialement à l'extérieur du fil résistif (26), dans la rainure hélicoïdale (18) le cas échéant, - mettre en place (108) des cales de constriction thermique internes (34), dans au moins certaines des rainures longitudinales (20) le cas échéant,
- enrober (110) de résine et/ou de colle,
- mettre en place (116) des cales de constriction thermique externes (34), et
- fermer (120) le fluxmètre par insertion dans un tube externe (38).
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