FR2767418A1 - Module thermocouple - Google Patents
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Abstract
Composant thermo-électrique comportant du tellure de bismuth dopé à l'antimoine et du tellure de bismuth dopé au sélénium, caractérisé en ce que sa structure est de nature composite, constituée de barreaux parallépipèdiques de matière thermo-électriques accollés, enrobés sur les faces en regard d'une membrane isolante électrique et thermique renforcée mécaniquement, et couvert sur les faces apparentes d'un circuit électrique mince, assurant la mise en série électrique des barreaux ainsi que leur enrobage, mais aussi la traversée du flux thermique et l'isolation électrique. On réalise ainsi un module thermocouple applicable à la génération d'électricité et à la réfrigération.
Description
L'invention concerne la réalisation de thermocouples pour l'exploitation de la thermoélectricité, ainsi qu'un procédé de fabrication industriel.
Les thermocouples dits éléments à effet peltier ou seebeck sont utilisés dans l'industrie de façon courante pour le refroidissement.
Parcouru par un courant d'alimentation, le thermocouple absorbe la chaleur sur l'une de ses faces et la rejette sur l'autre. Fonctionnant comme pompe à chaleur sans pièce mobile, ce dispositif est remarquable par son intégration et sa fiabilité plus que pour son rendement énergétique et son coût de fabrication.
Soumis à une différence de température entre ses faces collectrices, et parcouru par un flux thermique, le thermocouple agit comme un générateur électrique à basse impédance, il transforme une partie du flux thermique en puissance électrique exploitable. La aussi, le générateur est remarquable de simplicité mais déplore un rendement médiocre, et une rentabilité économique discutable.
Les modules thermoélectriques sont traditionnellement constitués d'un circuit électrique mettant en série des barreaux semi-conducteurs alternativement dopés N et P, ces barreaux sont soumis en parallèle au flux thermique traversant le module.
Traditionnellement, ces barreaux verticaux sont alignés en rangs serrés sur un plan horizontal, et pris en sandwich entre deux plaques céramiques isolantes munies d'un circuit électrique sérigraphié.
- Une caractéristique générale de ce type de réalisation est la faible impédance électrique du module, conséquence directe du nombre limité des barreaux de faibles résistances électriques. II en résulte soit la nécessité d'une alimentation basse tension pour la génération de froid, soit l'usage d'un convertisseur élévateur de tension en sortie de thermocouple générateur.
- Une seconde caractéristique concerne la difficulté d'intégration ou d'assemblage de ce module dans un système thermique: le flux thermique ne franchissant pas les interstices, le module doit être collé ou comprimé ou soudé à ses drains thermiques, cela nécessite précision et savoir faire, et cela entraîne des pertes de rendement. Les modules sont en général réalisés en céramique, pour garantir l'isolation électrique du circuit et la bonne conduction du flux thermique, et pour éviter la rupture entraînée par les dilatations associées aux différences de température entre les faces. II n'est pas possible de souder ces modules, le collage est délicat et la compression nécessite des assemblages dissipateurs. De plus, les drains thermiques auxquels sont rapportés les modules doivent présenter des conductivités élevées ou des dissipations importantes en raison de l'intensité du flux qui traverse le module.
- Une troisième caractéristique des modules concerne leur sensibilité à la corrosion. En effet, les barreaux semi conducteurs sont généralement assemblés sans protection, afin de limiter les pertes thermiques, ils sont alors exposés à la corrosion.
- Enfin, la caractéristique critique de ces modules est leur coût.
Les facteurs du coût sont successivement: le prix de la matière première thermoélectrique, le coût de la transformation, le coût de la découpe en éléments, la manipulation d'éléments miniatures, le coût de la céramique de sa découpe de sa sérigraphie et de la soudure et enfin le coût de l'assemblage du pressage et de la cuisson du module.
L'invention présente un module thermoélectrique qui améliore les quatre caractéristiques générales, un procédé de réalisation de tels modules ainsi que quelques exemples d'applications.
Selon l'invention, les thermocouples sont réalisés à partir de matériaux semiconducteurs aux porteurs de type N et P, reliés en série électriquement et en parallèle thermiquement.
Les matériaux de types P sont par exemple réalisés à partir d'un alliage contenant une composition de 77.5 % de Sb2Te3 dans 22.5 % de Bj2je3 les matériaux de type N sont réalisés à partir d'un alliage comportant 5 % de 8i2Se3 dans 95 % de Bi2Te3.
Selon l'invention chaque matériaux fait objet d'un recuit sous vide à température de 650 C pendant une durée de 12 heures environ, sous ampoule de quartz, puis d'une cristallisation à température contrôlée selon la méthode dite
THM (Traveiling Heater Method), générant un barreau de diamètre de l'ordre de 30 mm de diamètre à la vitesse de 20 mm par jour environ. Par cette méthode, il est obtenu des matériaux polycristallins de haute qualité thermoélectrique, dont le coefficient de mérite Z de l'ordre de 3 0-3 K' dépasse celui des matériaux commercialisés à ce jour ( Z = 2.5 10-3 K1 environ ). Un tel matériau augmente le coefficient de performance d'un dispositif refroidisseur d'environ 30 % par rapport aux matériaux utilisés à ce jour. II présente un axe de meilleure efficacité A, dans l'axe du barreau, tel que représenté figure 1.
THM (Traveiling Heater Method), générant un barreau de diamètre de l'ordre de 30 mm de diamètre à la vitesse de 20 mm par jour environ. Par cette méthode, il est obtenu des matériaux polycristallins de haute qualité thermoélectrique, dont le coefficient de mérite Z de l'ordre de 3 0-3 K' dépasse celui des matériaux commercialisés à ce jour ( Z = 2.5 10-3 K1 environ ). Un tel matériau augmente le coefficient de performance d'un dispositif refroidisseur d'environ 30 % par rapport aux matériaux utilisés à ce jour. II présente un axe de meilleure efficacité A, dans l'axe du barreau, tel que représenté figure 1.
Selon l'invention, les matériaux sont découpés en barreaux, assemblés, et enveloppés.
Selon un mode de réalisation préférentiel mais non exclusif, le thermocouple élémentaire est constitué d'un même nombre de barreaux dopés N et de barreaux dopés P alignés et intercalés. Ces barreaux sont de dimensions égales, de base par exemple carrée de largeur L entre 0,45 x 0,45 et 1 x 1 mm2 et de hauteur H entre 1 et 3 mm. Le nombre de barreaux variera en fonction des applications entre 20 et 400 environ. Figure 2
Selon l'invention les barreaux alignés alternativement N (21) et P (22) sont collés les un aux autres par les flans en vis à vis. Un tel collage sera réalisé par exemple par insertion entre chaque de barreau d'une membrane 23 préimprégnée thermocollable, dont l'adhérence est assurée lors d'un cycle de compression à chaud.
Selon l'invention les barreaux alignés alternativement N (21) et P (22) sont collés les un aux autres par les flans en vis à vis. Un tel collage sera réalisé par exemple par insertion entre chaque de barreau d'une membrane 23 préimprégnée thermocollable, dont l'adhérence est assurée lors d'un cycle de compression à chaud.
Un polyimide de faible épaisseur: environ 25 microns, préimprégné sur une épaisseur totale de 75 microns réalise une liaison solide et durable entre chaque barreau, en assurant l'isolation électrique entre ceux ci.
Le polyimide, d'une conductivité thermique 10 fois plus faible que le matériau thermoélectrique n'entraîne qu'un très faible pont thermique entre les barreaux, son influence sur les performances est négligeable. De plus le polyimide est un matériau renforcé, compatible avec le collage époxy. II consolide la structure en protégeant les barreaux.
Une membrane en fibre de verre préimprégnée époxy convient également.
Selon l'invention, les barreaux alignés sont enveloppés sur les flancs par une membrane de faible épaisseur 24. Celle ci est collée sur les flans, adhère aux barreaux et aux membranes intercalaires. Ces membranes achèvent de consolider l'alignement, protègent chaque barreau dont seules les sections 25 restent apparentes.
Une telle membrane est par exemple réalisée à partir d'un tissage fibre de verre préimprégné de résine époxy ou d'un polyimide préimprégné, dans une résine époxy.
Le polyimide présente l'avantage d'un préencollage sur une face unique exclusivement. Le thermocollage sous pression consolide et rigidifie la structure.
Le verre époxy sera préféré pour permettre une mise en forme de l'élément avant thermodurcicage. II apparaît possible de fléchir l'élément et de lui donner une courbure indispensable à certains assemblages. Une telle forme représentée en vue de dessus figure 4 sera imposée avant cuisson, laquelle la figera définitivement.
Selon l'invention, les barreaux sont connectés électriquement en série, les jonctions N P entre deux barreaux successifs étant réalisées sur les sections supérieures, les jonctions P N sur les sections inférieures.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les jonctions sont réalisées directement sur la section des barreaux, par des pistes en nickel 31 figure 3 d'une épaisseur de l'ordre de 50 microns environ. Chaque élément de jonction présente une longueur légèrement inférieure à 2xL et une largeur de L, il assure la jonction en recouvrant totalement la surface de section de deux barreaux successifs. Selon plusieurs exemples de réalisation qui seront détaillés dans la description du procédé de fabrication, la section est soit recouverte d'une couche de nickel chimique de l'épaisseur de 50 microns, sectionnées aux endroits opportuns, soit recouverte d'une couche d'accrochage ultra mince en nickel, sur laquelle est brasée au bismuth étain 32 la piste de nickel, ou bien la section est attaquée à l'acide qui ne préserve que le bismuth, lequel est brasé au bismuth avec la piste nickel.
Par ce premier mode de réalisation, le circuit électrique en nickel est déposé directement sur les sections, ce qui contribue à la protection du matériau car le nickel constitue une excellente barrière chimique et ne s'oxyde que peu.
Dans ce premier mode de réalisation, la barrette sera préférentiellement collée aux drains thermiques 51 figure 5 lors de l'assemblage, selon les procédé usuels en électronique visant à dissiper la chaleur des composants vers le circuit sur lesquels ils reposent.
Un tel collage assure une isolation électrique entre le composant et le
support par exemple métallique et conducteur électrique, cette qualité est
indispensable pour que les pistes nickel ne soient pas court-circuitées. Un tel
collage assure une bonne conduction de la chaleur vers le support en raison de
la conductivité thermique intrinsèque de la résine 52 optimisée pour cette
application. Une bonne résine présente une conductivité équivalente à celle du
matériau thermoélectrique. Enfin, la tenue mécanique d'un tel collage peut être
optimisée par un renfort en fibre de verre dans la résine, garantissant une reprise
d'effort sécurisée, Une colle époxy chargée d'une céramique conductrice
imprégnant un tissage fin de fibre réalise une optimisation de la tenue mécanique. Un tel collage réalisé à chaud sous pression fixe la barrette sur le
support avec un ancrage robuste. L'époxy de la colle thermique fusionnant avec
l'époxy des membranes, la structure est renforcée et les barreaux sont alors
totalement enveloppés.
support par exemple métallique et conducteur électrique, cette qualité est
indispensable pour que les pistes nickel ne soient pas court-circuitées. Un tel
collage assure une bonne conduction de la chaleur vers le support en raison de
la conductivité thermique intrinsèque de la résine 52 optimisée pour cette
application. Une bonne résine présente une conductivité équivalente à celle du
matériau thermoélectrique. Enfin, la tenue mécanique d'un tel collage peut être
optimisée par un renfort en fibre de verre dans la résine, garantissant une reprise
d'effort sécurisée, Une colle époxy chargée d'une céramique conductrice
imprégnant un tissage fin de fibre réalise une optimisation de la tenue mécanique. Un tel collage réalisé à chaud sous pression fixe la barrette sur le
support avec un ancrage robuste. L'époxy de la colle thermique fusionnant avec
l'époxy des membranes, la structure est renforcée et les barreaux sont alors
totalement enveloppés.
Selon un second mode de réalisation figure 6, les sections des barreaux
sont recouvertes d'une très fine couche de nickel faisant banière de diffusion. La
barrette est brasée au bismuth étain 63 sur un circuit imprimé 61 qui réalise les jonctions inter-barreaux, par des pistes parallèles 62 contiguës isolées entre elles
espacées au pas de 2L et d'une largeur légèrement inférieure à 2L. Ces pistes
rectangulaires 62 ont une longueur de quelques millimètres, elles sont en cuivre
nickelé. Dans ce second mode de réalisation, le circuit imprimé est réalisé à
partir d'une membrane mince 64 de 'type flex' constituée d'un tissage en fibre de verre imprégné d'une résine époxy chargée d'élements conducteurs de la chaleur, tels qu'une poudre de céramique, recouvert d'une feuille de cuivre 62 d'épaisseur classique, 35 ou 70 microns. II sera pris soin de d'effectuer une gravure du circuit en cuivre puis un dépôt nickel comme barrière de diffusion, et enfin un pré-étamage au bismuth.
sont recouvertes d'une très fine couche de nickel faisant banière de diffusion. La
barrette est brasée au bismuth étain 63 sur un circuit imprimé 61 qui réalise les jonctions inter-barreaux, par des pistes parallèles 62 contiguës isolées entre elles
espacées au pas de 2L et d'une largeur légèrement inférieure à 2L. Ces pistes
rectangulaires 62 ont une longueur de quelques millimètres, elles sont en cuivre
nickelé. Dans ce second mode de réalisation, le circuit imprimé est réalisé à
partir d'une membrane mince 64 de 'type flex' constituée d'un tissage en fibre de verre imprégné d'une résine époxy chargée d'élements conducteurs de la chaleur, tels qu'une poudre de céramique, recouvert d'une feuille de cuivre 62 d'épaisseur classique, 35 ou 70 microns. II sera pris soin de d'effectuer une gravure du circuit en cuivre puis un dépôt nickel comme barrière de diffusion, et enfin un pré-étamage au bismuth.
Un exemple de réalisation met en oeuvre une prélaminé verre époxy chargé au nitrure de bore collé sur un feuillard de cuivre. La sérigraphie et la gravure du cuivre défini le circuit, il est alors brasé après nickelage sur les barreaux.
Dans ce second mode de réalisation, le circuit imprimé est collé contre les pièces métalliques faisant drain thermique 65, en aluminium, cuivre, étain, tôle, acier au nickel, Invar ou inox selon l'application, ou bien le circuit est intégré, à un circuit classique disposant de plan de cuivre dissipateurs et par exemple de traversées cuivrées pour le transfert de la chaleur.
Les circuits imprimés du type stratifié cuivre sur aluminium conviennent
particulièrement à l'application, après nickelage du cuivre.
particulièrement à l'application, après nickelage du cuivre.
Dans ce mode de réalisation, la barrette est prise en sandwich entre deux tels circuits et pressée à chaud afin de consolider à la fois la brasure et la colle époxy.
II a été décrit deux exemples de réalisation du thermocouple élémentaire sous forme d'un barrette constituée d'un alignement de barreaux de matériau alternativement dopé N et P. Dans un cas le circuit électrique est réalisé en nickel sur la barrette munie de connecteur aux extrémités, dans l'autre cas le circuit est réalisé sur le support, sous la forme d'un circuit imprimé, sur lequel est brasé la barrette.
Dans les deux cas la barrette est pressée à chaud de préférence entre le support faisant drain thermique inférieur et le drain thermique supérieur.
Un pressage à froid avec une colle thermique polymérisable est également envisageable.
Un autre exemple de réalisation du module est constitué de multiples barettes accollées pour constituer un bloc dont les dimensions sont de l'ordre de 1 Ox10x2 mm3. Sa constitution est semblable, ses caractéristiques similaires.
Selon l'invention, le composant élémentaire présente des caractéristiques élémentaires d'impédance électrique, thermique, de puissance de froid, ainsi qu'une section utile correspondant à la section de sa base.
Les modes d'assemblage de ces barrettes thermocouples élémentaires rendede.,aisée leur intégration dans des systèmes de refroidissement thermoéiectrique où dvs générateur thermoélectriques, car il permet d'adapter la densité et le nombre de nîodules élémentaires aux caractéristiques électriques ét thermiques des interfaces.
En particulier, un thèrmocouple classique présente une conductivité thermique importante, et pote.ntiellementxun flux important, entraînant parfois la nécessité de dissiper chaleur et froid par des,radiateurs à ailette importants et en régime forcé.
Une moindre densité de matière thermoélectrique permet par exemple à moindre coût d'étaler sur une surface importante les thermocouples, et donc de disposer de surfaces d'échange plus importante sans ventilation ni ailettes encombrantes. Cela simplifie le transport de la chaleur. Par ce procédé, les faces froides et chaudes peuvent n'être que de simples plaques très discrètes d'aluminium isolées l'une de l'autre par une mousse autocollante placée autour des composants.
En thermogénérations, les écarts de températures sont réduits, les puissances dissipées sont faibles, les densités de barrette également.
Selon l'invention, nous décrivons un premier exemple de réalisation d'un dispositif de refroidissement par exemple destiné à un mini4rigo.
Un tel dispositif comporte une face intérieure, froide, une face extérieure, chaude, et en option d'un échangeur de chaleur.
En fonction des performances, la face chaude extérieure dissipe environ deux fois la chaleur prélevée dans la partie froide. On prévoira donc parfois une ventilation forcée dont le principe est décrit ci après.
La face froide 71 figure 7 constitue la structure du système de refroidissement. Elle est réalisée à partir d'un circuit imprimé stratifié cuivre nickelé sur aluminium. Sur l'aluminium est laminé un sandwich constitué d'une couche de fibre de verre préimprégnée à la résine conductrice thermique, et d'une couche de cuivre figurant le circuit électrique 12 désiré.
Le circuit électrique est réparti en deux zones:
Une première zone ou est implanté le dispositif d'alimentation et de régulation, une deuxième zone figurant le circuit thermoélectrique.
Une première zone ou est implanté le dispositif d'alimentation et de régulation, une deuxième zone figurant le circuit thermoélectrique.
Le circuit d'alimentation et de régulation est réalisé à partir de composants à montage de surface, implantés dans la première zone. II est constitué d'un simple redresseur à diode , d'un condensateur 74 et d'un relais multiple 75 commandé par le thermostat intégré 76.
Les barrettes thermocouples 77 sont soudées au bismuth étain et implantées dans la zone du circuit thermoélectrique, selon un schéma série parallèle. Le procédé de montage est conforme aux standards des composant
CMS.
CMS.
Une couche en mousse isolante thermique adhérente 78 remplit tout le volume résiduel entre les composants, sur une hauteur de l'ordre de L.
Enfin, une mosaïque de dissipateurs thermiques 79 vient couvrir la zone des barrettes thermocouples, chaque dissipateur muni d'un circuit statifié cuivre étain est soudé sur entre 2 et 4 barrettes, et par exemple consolidé en son centre par un rivet inox.
Ces dissipateurs 79 sont par exemple réalisés en aluminium extrudé.
Selon un mode de réalisation non exclusif l'invention, un ventilateur 701en option réalise une dissipation forcée dans un tunnel 702 autour des pales des dissipateurs. Ce ventilateur est déclenché en parallèle avec les thermocouples, sous la consigne du thermostat. Associé au tunnel de ventilation et au ventilateur, deux clapets 703 obturent sous l'effet de leur masse les entrées et sorties du tunnel, afin de réduire au maximum l'effet des perte d'isolations quand le relai est ouvert, conséquence de la conductivité thermique des cellules.
Ces clapets s'ouvrent dés mise en route du ventilateur et des thermocouples.
Une paroi isolante 702 et 78 contribue à renforcer l'isolation notamment autour du tunnel de ventilation.
Un tel procédé est utilisable pour les mini-réfrigérateurs, pour des miniclimatisations, pour des systèmes de refroidissement de liquides industriels ou alimentaires, (dans ce cas particulier, la paroi froide 71 est en contact avec un échangeur à circulation de fluide), pour des étals de boucherie, etc.
Ce dispositif optimise l'encombrement et l'efficacité du refroidissement, ainsi que l'isolation. En effet: il présente une grande surface d'échange pour la face froide, donc elle autorise un échange uniquement convectif sans ventilateur et sans encombrement, elle concentre modérément le flux sur la face chaude, et il est possible de conditionner au fonctionnement des thermocouples l'échange thermique avec l'extérieur par ventilation forcée.
De plus, le circuit d'alimentation est implanté dans une surface perdue pour le refroidissement sans surcoût.
Pour une application de ce type on préférera des modules carrés d'environ 10x10 mm2 constitués de barrettes accolées, chacun pompant environ 1 watt sur une surface de 10 cm2.
Selon l'invention, nous décrivons fiaure 8 un exemple de dispositif de microgénérateur électrique, un maillon de bracelet:
Le collecteur de chaleur est réalisé en stratifié cuivre aluminium 81 dont le cuivre 82 est nickelé ou en circuit imprimé.
Le collecteur de chaleur est réalisé en stratifié cuivre aluminium 81 dont le cuivre 82 est nickelé ou en circuit imprimé.
Le dissipateur est réalisé en stratifié cuivre aluminium 83 dont le cuivre 84 est nickelé. Ce dissipateur représente la face supérieure du bracelet et comporte de petites ailettes 85.
De part et d'autre du maillon, ainsi que sur la zone centrale des barrettes d'environ 10 mm de longueur sont brasées entre le collecteur et le dissipateur. A chaque extrémité du maillon, un pivot nickelé 87 est brasé sur la face interne du dissipateur, ou bien sur la face interne du collecteur, il assure la continuité électrique de maillon en maillon grâce à un axe conducteur.
Un rivet ou une vis inox contribue à consolider le maillon en exerçant une pression sur la brasure.
Une mousse (non représentée) assure à la protection et la propreté du maillon, ainsi que l'isolation entre les deux faces.
r
Au poignet, la différence de température entre le collecteur et le dissipateur induit un flux thermique converti en force électromotrice collectée entre les pivots.
r
Au poignet, la différence de température entre le collecteur et le dissipateur induit un flux thermique converti en force électromotrice collectée entre les pivots.
Avec environ 20 paires N P par maillon, et une différence de température de l'ordre de 10 C entre les faces, chaque maillon d'une surface de 2 cm2 génère une différence de potentiel de l'ordre de 20 mV, sous une impédance de 2.4 ohm, soit environ 80 microwatts maximum délivrés.
Ceci constitue un exemple non exclusif de mise en oeuvre de thermogénérateur optimisé. La tension de sortie est proportionnelle à la différence de température entre les faces collectrices et dissipatrices et au nombre de couples N P, et par ailleurs, la puissance électrique délivrée est maximum quand la résistance thermique des barreaux est équivalente à celle du dissipateur, la section totale de matière thermoélectrique autorisée est donc figée. La tension maximum est obtenue pour des barreaux dont le rapport H/L2 est maximum.
A faible section et grande longueur les barreaux sont fragiles, et le renfort par des membranes contribue à rendre possible l'optimisation du facteur H/L2.
Ces deux mises en oeuvre de modules élémentaires en barrette sont non limitatives et les exemples donnés mettent en valeur leur simplicité.
Selon l'invention, nous décrivons un procédé de réalisation de module barrette.
Chaque barrette contient une alternance de matériaux thermoélectriques dopés
P et N. Ces matériaux font l'objet d'une croissance cristalline et présentent un axe d'anisotropie A figure 1 de la conductivité thermique et du facteur de mérite.
P et N. Ces matériaux font l'objet d'une croissance cristalline et présentent un axe d'anisotropie A figure 1 de la conductivité thermique et du facteur de mérite.
Selon l'invention, les lingots N et P de départ sont rectangulaires, allongés selon l'axe anisotrope.
Les lingots sont alors découpés selon des tranches parallèles contenant l'axe anisotrope, d'épaisseur proche de L. Une telle découpe est par exemple réalisée à la scie multifil ou bien à la scie à disque.
Les tranches 91, 92 figure 9 sont alors alternées P et N en conservant les axes parallèles, superposées, en intercalant en chaque tranche une membrane thermocollable 93 de faible épaisseur. Cette membrane est par exemple un
Polyimide de 25 micron comportant de part et d'autre 25 micron de résine époxy, ou bien un verre époxy.
Polyimide de 25 micron comportant de part et d'autre 25 micron de résine époxy, ou bien un verre époxy.
Le lingot reconstitué est donc un composite constitué d'une alternance de tranches N P isolées électriquement.
Une première cuisson assure une polymérisation partielle, sous pression, à température proche de 1 300C.
Après traitement, le nouveau lingot est alors redécoupé en tranches d'épaisseur L environ, selon des plans contenant l'axe d'anisotropie et perpendiculaires au tranches précédentes.
Chaque tranche 101 figure 10 contenant des tiges rectangulaires de section L2 alternativement de matière N et P est alors couverte de part et d'autre par deux membranes en polyimide 102, 103 préencollées sur une face seulement. Les tranches sont alors superposées et le lingot reconstitué. On réalise ainsi des barretes, car les tranches ne sont pas collées entre elles. II est également possible de couvrir les tranches de verre époxy, et de les séparer par une membrane de démoulage en pacothane. Cette dernière autorisera la séparation des barettes,
Enfin, pour réaliser des modules blocs, on intercalera entre les tranches une seule membrane en polyimide préencollé sur les deux faces ou une membrane en verre époxy. On prendra soin d'alterner les barreau N et P pour réaliser une répartition en damier. t
Un cycle de cuisson sous pression achève la polymérisation des tranches.
Enfin, pour réaliser des modules blocs, on intercalera entre les tranches une seule membrane en polyimide préencollé sur les deux faces ou une membrane en verre époxy. On prendra soin d'alterner les barreau N et P pour réaliser une répartition en damier. t
Un cycle de cuisson sous pression achève la polymérisation des tranches.
Le lingot est alors découpé selon le plan perpendiculaire à l'axe d'anisotropie selon des tranches d'une épaisseur de h, 111, 112, figure 11, chaque tranche laissant apparaître les sections des barreaux.
Chaque tranche contient les barrettes élémentaires N P, les barrettes sont juxtaposées et sont liées par l'adhérence résiduelle. Un cisaillement les désolidarise.
Les modules restent en bloc.
La tranche présente les sections vives des thermoéléments, ceux ci sont protégé par un dépôt de nickel, soit électrolytique soit chimique, dans un bain. Le nickel agit comme barrière de diffusion et interface d'accrochage pour la brasure.
Plusieurs alternatives apparaissent:
- La couche de nickel déposé est de forte épaisseur, environ 0.1 mm et elle assure un recouvrement continu de la tranche, avec accrochage robuste sur les barreaux. Alors, par découpe ou attaque chimique sélective, il est possible de réaliser les liaisons entre les barreaux directement, puis de séparer les barrettes munies de leur propre circuit électrique. Un flash par évaporation contribue à déclencher l'accrochage préalablement au dépôt chimique. La barrette est destinée à être collée à la colle thermique.
- La couche de nickel déposé est de forte épaisseur, environ 0.1 mm et elle assure un recouvrement continu de la tranche, avec accrochage robuste sur les barreaux. Alors, par découpe ou attaque chimique sélective, il est possible de réaliser les liaisons entre les barreaux directement, puis de séparer les barrettes munies de leur propre circuit électrique. Un flash par évaporation contribue à déclencher l'accrochage préalablement au dépôt chimique. La barrette est destinée à être collée à la colle thermique.
- La couche de nickel est de faible épaisseur. La tranche est nickelée sur la section des barreaux exclusivement. Alors on vient braser sous presse à chaud une un circuit souple en cuivre priétamé au bismuth étain 121 sur une membrane en verre époxy chargé au nitrure de bore. Une phase de pressage à température de brasure de la tranche soude les jonctions. Le circuit aura été préllablement gravé par sérigraphie sur le cuivre lié à feuille adhésive transparente 122 en verre époxy chargé. Chaque barrette réalisée par ce procédé comporte deux languettes soudables les barrettes sont séparées par découpe de la membrane verre époxy chargé.
- La couche de nickel est fine, la barrette est destinée à être soudée sur un circuit imprimé qui assure les jonctions inter-éléments. Le circuit imprimé est en cuivre nickelé et étamé au bismuth. Un stratifié cuivre nickelé aluminium constitue la meilleur alternative technique.
II a été décrit un module thermoélectrique sous la forme d'une barette multi-éléments, des versions d'assemblage de cette barette soit par collage, soit par brasure, I'intégration de cette barette dans un circuit électrique et thermique, deux exemples de mise en oeuvre de tels éléments pour un dispositif de réfrigération et pour un microgénérateur, et enfin, un procédé de réalisation de telles barettes minimisant les opération de découpe et de manipulation.
Un assemblage de barrettes constitue un bloc dont les applications sont similaires.
La barrette présente comme annoncé
- une optimisation de l'impédance électrique, conséquence de l'optimisation de HIL2 et du nombre de barreaux.
- une optimisation de l'impédance électrique, conséquence de l'optimisation de HIL2 et du nombre de barreaux.
- une optimisation de l'impédance thermique: La barrette comporte une conductivité thermique élémentaire, I'association très simple des barrettes en série électriquement et en parallèle thermiquement permet l'adaptation de la résistance thermique des barrettes à celle des. drains et dissipateur thermiques préexistant associés.
- une résistance mécanique améliorée par le fait de la structure composite.
- une résistance à la corrosion améliorée par les fait que chaque éléments est totalement enrobé soit de résine et de nickel.
- une simplification de l'assemblage, par la mise en oeuvre de techniques similaires à celles utilisée en CMS.
Le procédé de réalisation est optimisé en terme de cout par le fait qu'il supprime les éléments suivant:
- découpe individuelle des barreaux
- manipulation des barreaux individuels
- brasure sur support céramique
L'assemblage est moins coûteux, car il se limite à un collage, à
chaud ou bien à une brasure sur circuit imprimé à support dissipatif.
- découpe individuelle des barreaux
- manipulation des barreaux individuels
- brasure sur support céramique
L'assemblage est moins coûteux, car il se limite à un collage, à
chaud ou bien à une brasure sur circuit imprimé à support dissipatif.
En généralisant l'exemple de mise en oeuvre non limitatif décrit dans le texte, I'invention montre la réalisation d'un module composant thermo-électrique comportant du tellure de bismuth dopé à l'antimoine et du tellure de bismuth dopé au sélénium, caractérisé en ce que sa structure est de nature composite, constituée de barreaux parallépipèdiques de matière thermoélectriques accollés, enrobés sur les faces en regard d'une membrane isolante électrique et thermique renforcée mécaniquement, et couvert sur les faces apparentes d'un circuit électrique mince, assurant la mise en série électrique des barreaux ainsi que leur enrobage, mais aussi la traversée du flux thermique et l'isolation électrique.
De même selon l'une des réalisation décrite généralisée,
I'invention décrit un composant caractérisé en ce que le circuit électrique est réalisé par un cuivre gravé, nickelé et étamé au bismuth sur un support rigide et conducteur thermique recouvert d'une membrane isolante électrique et conductrice thermique.
I'invention décrit un composant caractérisé en ce que le circuit électrique est réalisé par un cuivre gravé, nickelé et étamé au bismuth sur un support rigide et conducteur thermique recouvert d'une membrane isolante électrique et conductrice thermique.
Enfin, le procédé de réalisation du composant ou module généralisé est caractérisé en ce que le matériaux de départ, sous forme de deux barreaux, I'un dopé au sélénium, L'autre à
I'antimoine, subit un premier cycle de découpe en tranches, puis une reconstitution du barreau avec interposition de membranes thermocollables, avec alternance des matériaux d'une tranche à l'autre, puis un durciçage du barreau reconstitué, puis une découpe en tranche dans un plan perpendiculaire, puis une reconstitution avec interposition de membrane, et durciçage, et enfin un troisième cycle de découpe dans l'axe perpendiculaire à celui des barreaux, réalisant les composants sans circuit électrique.
I'antimoine, subit un premier cycle de découpe en tranches, puis une reconstitution du barreau avec interposition de membranes thermocollables, avec alternance des matériaux d'une tranche à l'autre, puis un durciçage du barreau reconstitué, puis une découpe en tranche dans un plan perpendiculaire, puis une reconstitution avec interposition de membrane, et durciçage, et enfin un troisième cycle de découpe dans l'axe perpendiculaire à celui des barreaux, réalisant les composants sans circuit électrique.
Claims (8)
- REVENDICATIONS 1. Composant thermo-électrique comportant du tellure de bismuth dopé à l'antimoine et du tellure de bismuth dopé au sélénium, caractérisé en ce que sa structure est de nature composite, constituée de barreaux parallépipèdiques de matière thermo-électriques accollés, enrobés sur les faces en regard d'une membrane isolante électrique et thermique renforcée mécaniquement, et couvert sur les faces apparentes d'un circuit électrique mince, assurant la mise en série électrique des barreaux ainsi que leur enrobage, mais aussi la traversée du flux thermique et l'isolation électrique.
- 2. Composant selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué, selon une structure de barette, d'un alignement de barreaux alternativement dopés P et N, collés l'un à l'autre par les faces en regard par une membrane thermocollable, enrobés par une membrane latérale renforcée, nickelé sur les tranches apparentes des barreaux, puis brasé à un cicuit mince élémentaire assurant les jonctions d'un barreau au suivant.
- 3. Composant selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le circuit électrique mince est réalisé à partir d'une membrane fine en verre époxy chargée au niture de bore, support d'un cuivre gravé nickelé et pré-étamé au bismuth, et en ce que cette membrane est brasée et thermocollée sous presse au dit composant.
- 4. Module parrallélépipédique caractérisé en ce qu'il est constitué de la juxtaposition de plusieurs composants élémentaires selon l'une des revendications 2 et 3 reliés en série électriquement et traversés en parallèle par le flux thermique.
- 5. Composant selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que le circuit électrique est réalisé par un cuivre gravé, nickelé et étamé au bismuth sur un support rigide et conducteur thermique recouvert d'une membrane isolante électrique et conductrice thermique,
- 6. Générateur de froid caractérisé en ce qu'il exploite des composants ou modules selon l'une des revendications 1 à 5 et en ce qu'il est constitué d'une plaque en aluminium recouverte d'un circuit électrique mince assurant la liaison entre les composants, en ce que les composants sont thermocollés à la plaque ou brasés, en ce que les composant sont recouverts par plusieurs dissipateurs sous un flux d'air entraîné par un ventillateur.
- 7. Générateur thermoélectrique caractérisé en ce qu'il comporte des composants ou modules selon l'une des revendications 1 à 5 chacun intercallé entre un collecteur à un température et un dissipateur à une température différente, et un circuit de liaison électrique entre les composants.
- 8. Procédé de réalisation du composant ou module selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le matériaux de départ, sous forme de deux barreaux, l'un dopé au sélénium,L'autre à l'antimoine, subit un premier cycle de découpe en tranches, puis une reconstitution du barreau avec interposition de membranes thermocollables, avec alternance des matériaux d'une tranche à l'autre, puis un durciçage du barreau reconstitué, puis une découpe en tranche dans un plan perpendiculaire, puis une reconstitution avec interposition de membrane, et durciçage, et enfin un troisième cycle de découpe dans l'axe perpendiculaire à celui des barreaux, réalisant les composants sans circuit électrique.
Priority Applications (6)
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| FR9710338A FR2767418B1 (fr) | 1997-08-13 | 1997-08-13 | Module thermocouple |
| EP97948967A EP0972335A2 (fr) | 1996-12-02 | 1997-12-01 | Convertisseur de puissance thermique permettant d'alimenter en electricite un appareil autonome a consommation reduite a partir d'une tres faible difference de temperature |
| JP52526698A JP2002518989A (ja) | 1996-12-02 | 1997-12-01 | わずかな温度差から低消費電力の自立型装置に電気を供給することを可能にする熱出力変換器 |
| US09/319,128 US6340787B1 (en) | 1996-12-02 | 1997-12-01 | Power converter for supplying electricity from a difference in temperature |
| CA002274008A CA2274008A1 (fr) | 1996-12-02 | 1997-12-01 | Convertisseur de puissance a consommation reduite a partir d'une source de tres faible tension |
| PCT/FR1997/002165 WO1998025333A2 (fr) | 1996-12-02 | 1997-12-01 | Convertisseur de puissance a consommation reduite a partir d'une source de tres faible tension |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9710338A FR2767418B1 (fr) | 1997-08-13 | 1997-08-13 | Module thermocouple |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR9710338A Expired - Fee Related FR2767418B1 (fr) | 1996-12-02 | 1997-08-13 | Module thermocouple |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1025687A (en) * | 1962-03-02 | 1966-04-14 | Philips Electronic Associated | Improvements in thermo-electric devices |
| FR2118658A5 (fr) * | 1970-12-16 | 1972-07-28 | Ca Atomic Energy Ltd | |
| FR2435132A1 (fr) * | 1978-08-29 | 1980-03-28 | Cit Alcatel | Procede de fabrication de thermopile |
| US4465894A (en) * | 1983-04-07 | 1984-08-14 | Ecd-Anr Energy Conversion Company | Substrateless thermoelectric device and method of making same |
| GB2160358A (en) * | 1984-06-11 | 1985-12-18 | Ga Technologies Inc | Thermoelectric power supply and holder for use therewith |
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| JPH04249385A (ja) * | 1991-02-06 | 1992-09-04 | Komatsu Electron Kk | 熱電装置 |
-
1997
- 1997-08-13 FR FR9710338A patent/FR2767418B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 022 (E - 1307) 14 January 1993 (1993-01-14) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2767418B1 (fr) | 1999-10-22 |
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