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Le procédé PACES

Description technique

Principe thermodynamique

Principe électrostatique

Contradiction avec le principe de Carnot ?

Les applications

Expérience 1

Expérience 2

Expérience 3

Illustration du principe thermodynamique par l'expérience de Joule

Illustration du principe électrostatique par l'expérience d'un groupe hollandais

 

 

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RESUME

Description technique de la plaque électrostatique

Dans le modèle de référence, le champ électrique est produit dans les trous d’une grille en contact avec le gaz. La grille constitue l’armature positive d’un condensateur, et elle est séparée de la cathode par une couche diélectrique mince (schéma 20). La dimension des trous est réduite autant que possible pour éviter tout problème de claquage dans le gaz, lié au champ électrique nécessairement très intense.

Pour obtenir un écart de température suffisant

entre la source froide et la source chaude, la solution consiste à procéder par étages, c’est à dire à superposer les plaques en mille-feuille , la plaque froide  d’un étage devenant la plaque chaude de l’étage suivant. ( Voir « Configuration d’ensemble »)

Un calcul de la puissance électrique consommée

montre que celle-ci est négligeable par rapport à la puissance de transfert thermique, ce qui permet d’espérer un coefficient de performance (COP) très élevé, sans rapport avec le COP de Carnot.

Différentes configurations possibles

sont passées en revue avec pour objectif de simplifier le procédé de fabrication, de réduire le coût de production, mais aussi d’optimiser le puissance et la fiabilité, en particulier en essayant d’éliminer le risque de détérioration du diélectrique lié au champ électrique très intense à mettre en œuvre.



Modèle de référence

 

 

 

Il s’agit d’un condensateur dont l’armature chargée négativement est constituée par la plaque métallique, sur laquelle est déposée un diélectrique mince, et la grille, en contact avec le gaz, qui constitue l’armature chargée positivement. Cette grille pourrait se réaliser en gravant des trous dans une couche de métal déposée sous vide sur l’isolant. La grille joue le rôle de cage de Faraday décrite plus haut dans « principe électrostatique ». Elle permet de générer un champ intense à la surface de la plaque, plus précisément dans les trous de la grille, et un champ résiduel négligeable dans tout l’espace gazeux restant.

 

Pourquoi n’applique t’on pas le champ électrique dans tout l’espace gazeux ?

Ca éviterait la grille. Mais, c’est le gradient du champ électrique, c’est à dire la variation de son intensité dans l’espace, qui provoque l’attraction des molécules de gaz. C’est entre la région où le champ est négligeable et la région où le champ est intense (dans les trous de la grille) qu’elles sont attirées. Dans une telle zône de champ variable, les charges électriques positives et négatives du dipôle moléculaire ne subissent pas exactement la même force électrostatique (attraction ou répulsion) puisqu’elles ne sont pas situées au même endroit, et c’est cette différence de force entre l’attraction d’une charge et la répulsion de la charge opposée qui induit une résultante de force qui est à proprement parler la force d’attraction de la molécule. Celle-ci s’exerce toujours en direction du gradient de champ, c’est à dire vers le champ intense, et non pas selon la direction du champ électrique.

Si l’on plaçait un gaz dans un champ électrique uniforme, entre une cathode et une anode, les molécules  de gaz ne subiraient aucune force d’attraction. Chacune des molécules fournirait malgré tout un dipôle en raison du champ électrique qui sépare les charges opposées, mais le champ électrique étant uniforme la force de répulsion d’une charge compenserait exactement la force d’attraction de la charge opposée.

Voici une expérience très éclairante sur ce phénomène. Si l’on introduit une lame diélectrique dans un condensateur chargé, la lame est attirée dans le condensateur. L’énergie d’attraction provient de la polarisation de la lame, c’est à dire des charges induites sur chaque surface de la lame en pénétrant dans le condensateur. Ces charges exercent une attraction par rapport aux bornes positive et négative du condensateur, telle qu’indiqué sur le schéma. La force d’attraction de la lame dans le condensateur est une résultante de l’ensemble de ces forces, et elle persiste tant que la lame n’est pas complètement introduite dans le condensateur. Dès qu’elle est complètement introduite, la force d’attraction disparaît.

 

Le principe est le même pour une particule unique. Une telle particule serait attirée en pénétrant dans le condensateur, mais plus après. La force d’attraction est palpable dans le cas de la lame à cause du nombre très élevé de molécules qu’elle contient.

 

Dimensions de la grille

Pour éviter tout phénomène de claquage du gaz dans la zone de champ intense, c’est à dire dans les trous de la grille, on doit réduire au maximum la dimension de ces trous, ainsi que l’épaisseur de la grille. De même, on ne peut réduire l’épaisseur du diélectrique qu’en proportion des trous de le grille.

Or, plus le diélectrique est mince, plus sa rigidité diélectrique est élevée. La rigidité diélectrique d’une couche de Parylène de 5 microns serait satisfaisante pour appliquer le champ électrique voulu (250 KV / mm). Mais, on peut considérer que ces dimensions ne doivent pas être dépassées.

Pression du gaz

On doit faire en sorte que le libre parcours moyen d’un électron dans le gaz (sans ionisation) corresponde à peu près à la distance entre les plaques de manière à éviter la multiplication des électrons pouvant être émis par la surface diélectrique, capable de produire un claquage dans le gaz. Dans le cas d’une distance entre les plaques de 0,1 mm, il faudrait faire un vide minimum d’environ 0,01 bar.

Valeur du champ électrique et potentiel

La valeur moyenne du champ électrique en surface va déterminer l’énergie d’attraction des molécules et l’échauffement de la plaque. Ce champ est le plus intense dans les trous de la grille, sur la surface diélectrique , beaucoup moins sur la surface horizontale métallique de la grille. D’après des calculs effectués par ordinateur, la valeur moyenne du champ électrique en surface serait en gros, avec une diélectrique plastique dont la permittivité relative Er = 2, le double du champ électrique existant dans le diélectrique. Un champ de 250 KV / mm dans le diélectrique est donc nécessaire si l’on veut obtenir un champ moyen de 500 KV / mm en surface. Avec une épaisseur diélectrique de 5 microns, le potentiel électrique s’élèverait dons à 1,25 KV. Pour un même champ électrique, le potentiel nécessaire est d’autant plus bas que le diélectrique est mince.

 

Plots de séparation

 

Répartis sur toute la surface des plaques, ils maintiennent un espacement réguliers entre celles-ci. Ils sont aussi peu nombreux et aussi étroits que possible de manière à limiter le retour de chaleur dans le sens normal plaque chaude =>plaque froide.

 

ü      Une manière de les réaliser pourrait consister à déposer, sur la face inférieure de chaque plaque (à l’opposé de la face gravée), une couche plastique adhérente d’épaisseur égale à la distance de séparation voulue, puis à enlever cette couche par fraisage, en dehors de ce que l’on veut garder pour les plots.

 

ü      Une autre possibilité permettant de réduire la distance de séparation, et par suite d’augmenter la puissance de transfert thermique, consisterait à former des microboules d’oxyde à la surface du métal, par exemple par implantation ionique.

 

Configuration d'ensemble

L’échauffement de quelques degrés d’une plaque par rapport à celle qui lui fait face doit être multiplié pour obtenir un écart de température suffisant entre la source froide et la source chaude. La solution consiste à procéder par étages, c’est à dire à superposer les plaques en mille-feuille, la plaque froide d’un étage devenant la plaque chaude de l’étage suivant. Si l’on reprend l’exemple décrit dans le schéma 14, on retrouverait la puissance de transfert thermique de 1400 Watts que l’on avait entre deux plaques, mais cette fois entre la source froide et la source chaude, avec la différence de température voulue.

 


 

Puissance électrique consommée

Il s’agit de la puissance consommée par le générateur pour maintenir la tension dans les condensateurs, car un courant (très faible) traverse le diélectrique et déchargerait les condensateurs s’ils n’étaient maintenus à tension constante. Le courant est fonction de la résistivité du diélectrique. Avec un matériau très résistif tel que du Parylène (10 17 Wcm au champ voulu), on a , avec un champ électrique de 10 7 V/cm, un courant de 10 -10 A / cm² ou 10 -6 A / m². Avec une tension d’environ 1000 Volts on obtient une puissance consommée d’environ 10 -3 Watt / m², soit 0,01 Watt pour un mille-feuille de 10 plaques d’1 m², ce qui est négligeable au regard de la puissance de transfert thermique calculée plus haut (voir schéma 14).


Autres configurations de la plaque

Elles restent basées sur le même principe, c’est à dire la création, à la surface d’une plaque, d’un champ électrique permettant d’attirer les molécules de gaz pour leur faire céder de l’énergie par accommodation thermique.

1)   Ions en surface

Des ions répartis uniformément en surface remplacent la grille métallique de la première configuration. Les molécules de gaz seraient attirées par le champ électrique intense à proximité d’un ion. La répartition des ions s’effectuerait automatiquement par répulsion des ions entre eux. Les ions pourraient être produits par émission électronique d’une cathode froide (cathode qui émet des électrons avec un champ électrique faible) dans un gaz électronégatif (molécule qui capte facilement un électron supplémentaire) tel du SF6.

Avantages

-         Obtention d’un champ élevé à proximité d’un ion (1,5 x 109 V / m à 1nm)

-         La minceur du diélectrique (10 nm) et la charge statique des ions négatifs n’autorisent plus un claquage du diélectrique

-         On évite les problèmes liés à la grille métallique :

§         Champ trop élevé près des arêtes métalliques risquant d’ioniser les molécules de gaz neutre.

§         Risque d’émission d’ions à partir du métal de la grille, qui viendraient « polluer » la surface diélectrique en dispersant la charge positive concentrée à l’origine sur la grille, ce qui affaiblirait progressivement le champ électrique dans les trous de la grille.

2)  Mélange de deux types de particules très fines de potentiels de surface différents

Il s’agirait de déposer sur un substrat métallique un mélange de deux poudres hyper fines, de potentiels de surface différents, de manière à créer un champ électrique entre deux grains voisins de natures différentes. S’il est possible d’obtenir des grains assez fins (environ 10 nm), de les mélanger et de les faire adhérer correctement, on peut alors obtenir, par exemple avec deux métaux, un de faible potentiel et l’autre de fort potentiel, un champ de 3 V / 10 nm soit 300 KV / mm.

Avantages

Il n’y a plus de potentiel à entretenir dans un condensateur, plus d’ions à produire, dons plus de travail à fournir et plus besoin de générateur.

Si une molécule de gaz s’ionise accidentellement près de la surface (radiation ionisante) l’électron libre si dirige vers un grain de potentiel faible, et l’ion vers un grain de fort potentiel. On pourrait alors conclure qu’il y aura progressivement une dispersion de la charge et une diminution du champ électrique. Cependant le potentiel d’ionisation de la molécule de gaz étant plus fort que le potentiel de surface du grain, la molécule ionisée doit récupérer automatiquement son électron perdu, puis l’électron gagné par le grain de faible potentiel doit revenir vers le grain de fort potentiel par conductivité électrique.

 

Un tel système où il n’y a plus de travail à fournir peut faire penser à un mouvement perpétuel. Quoi que l’on puisse penser, les molécules sont effectivement en mouvement perpétuel dans un gaz. S’il est possible de produire un champ d’attraction sans fournir de travail, comme c’est le cas par exemple du champ de pesanteur terrestre, un tel procédé ne ferait finalement rien de plus que ce que la nature fait déjà depuis très longtemps.

 

3) Grille ultra-fine sur un substrat de potentiel de surface différent, réalisé par lithographie électronique.

Cette variante consisterait à insoler directement un resist photosensible par faisceau électronique, ce qui permettrait d’obtenir des trous suffisamment petits pour obtenir un champ électrique assez élevé entre le substrat et la grille, selon le procédé ci-dessous.

 

4) Surface microporeuse

Il s’agirait d’utiliser le champ électrique existant naturellement à la surface de tous les matériaux, qui est à l’origine de l’adsorption (chimisorption ou physisorption). On discerne cependant deux obstacles à cette utilisation. 

ü      Si l’énergie d’adsorption est forte, les molécules gazeuses sont piégées, c’est à dire qu’elles ont un temps de séjour trop long et elles encombrent l’espace où les molécules libres pourraient être attirées à leur tour.

ü      Avec une surface lisse, la zone d’attraction est vraisemblablement confondue avec la zone de contact et d’échange thermique, de telle sorte que la molécule gazeuse ne pourrait pas être accéléré avant de céder de l’énergie sous forme thermique, et ne serait donc pas ralentie non plus en repartant. Les deux fonctions d’attraction et d’échange thermique seraient simultanées, ce qui permettrait à la molécule de repartir en reprenant l’énergie qu’elle a cédé sur la plaque en arrivant. Le bilan d’échange énergétique serait donc nul (voir schéma).

 

 

(1) la molécule accélère en tombant dans le champ d’attraction

 

(1) la molécule subit une attraction mais libère simultanément cette énergie sur la paroi sous forme de chaleur

 

(2) elle cède l’énergie en trop par accommodation thermique

 

(2) elle s’immobilise selon un temps plus ou moins long, selon l’énergie d’attraction :   10-13 s pour 0,1 Kcal / mole, jusqu’à 109 s pour 30 Kcal.

 

(3) elle ralentit en remontant le champ d’attraction

 

(3) elle repart en remportant la chaleur d’interaction (la simultanéité doit jouer dans les deux sens)

Le bilan des échanges énergétiques est nul.

 

Ce problème de simultanéité des fonctions d’attraction et d’échange thermique disparaîtrait si l’on pouvait dilater la zone d’attraction pour la faire déborder de la zone d’échange thermique, et c’est apparemment le cas dans un micropore. On sait qu’une molécule de vapeur subit une forte énergie d’attraction en pénétrant dans un micropore (en fonction de la taille du micropore, de la molécule et de sa polarisabilité), mais la molécule reste libre à l’intérieur et rebondit comme sur une paroi normale, ce qui laisse supposer que la zone d’échange thermique est recouverte par la zone d’attraction, comme représenté ci-dessous.

On peut créer une telle surface microporeuse avec des Zéolites synthétiques, des charbons actifs, des gels de silice, des verres poreux.

On réduira l’inconvénient d’un séjour trop long dans les micropores en réduisant l’énergie d’attraction de la molécule par utilisation d’une molécule non polaire et de grande taille. Toujours dans le but de limiter l’encombrement des pores on réduira la densité du gaz jusqu’à 0,001 bar.

Quelquefois, les plus petits ressorts font mouvoir les plus grandes machines.
(Jean-Paul Marat)

 

 

 

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