FR2951873A1

FR2951873A1 - Dispositif de conversion d'energie thermique en electricite

Info

Publication number: FR2951873A1
Application number: FR0957490A
Authority: FR
Inventors: Thomas Skotnicki
Original assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-04-29
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: FR2951873B1; US20110095646A1; US8492958B2

Abstract

L'invention concerne un dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie électrique comprenant une pluralité de lamelles bimétalliques (7) disséminées entre un support rigide et une plaque (9) en un matériau élastiquement déformable ; et du côté de la plaque en un matériau élastiquement déformable opposé aux lamelles, une couche (13) en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes (V , V ) de sortie, dans lequel le support rigide est adapté à être en contact avec une source chaude (3), et la plaque en un matériau élastiquement déformable est adaptée à transmettre à la couche piézoélectrique les contraintes mécaniques liées aux déformations des lamelles bimétalliques.

Description

B9949 - 09-GR3-365 1 DISPOSITIF DE CONVERSION D'ÉNERGIE THERMIQUE EN ÉLECTRICITÉ

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif adapté à produire de l'électricité à partir d'une source de chaleur, ou générateur thermoélectrique. Elle vise notamment l'exploitation de l'énergie thermique dégagée par certains équipements, par exemple une surface chaude d'une puce de circuit intégré, un pot d'échappement d'une voiture, un toit de maison, ou toute autre surface chaude. Exposé de l'art antérieur Dans certains dispositifs mobiles, par exemple des téléphones, des montres, ou des stimulateurs cardiaques, on a proposé d'utiliser des micro-générateurs piézoélectriques pour produire de l'électricité à partir des vibrations mécaniques résultant des mouvements de l'utilisateur. Ceci permet de recharger au moins partiellement les batteries du dispositif. Un inconvénient d'une telle solution est qu'elle ne peut pas être utilisée dans le cas d'un équipement fixe, par exemple un poste de télévision ou un ordinateur. On a également proposé des dispositifs adaptés à convertir directement de la chaleur en électricité via l'effet Seebeck. En effet, on a observé qu'il apparaît une différence de potentiel à la jonction de deux matériaux conducteurs soumis à B9949 - 09-GR3-365

2 une différence de température. Toutefois, de tels dispositifs ont un rendement très faible. Dans la pratique, l'utilisation de l'effet Seebeck se limite principalement à des applications de mesure de température.

On a par ailleurs proposé des générateurs thermoélectriques à micro-turbine, comprenant par exemple des turbines de l'ordre de 4 mm de diamètre et adaptés à être intégrés dans des composants électroniques. Toutefois, ces dispositifs sont coûteux car ils comprennent des parties mécaniques rotatives difficiles à réaliser. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la pré-sente invention est de prévoir un dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie électrique palliant au moins certains des inconvénients des solutions de l'art antérieur. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel dispositif facile à réaliser. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel dispositif facilement intégrable dans des équipements classiques. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie électrique comprenant une pluralité de lamelles bimétalliques disséminées entre un support rigide et une plaque en un matériau élastiquement déformable ; et du côté de la plaque en un matériau élastiquement déformable opposé aux lamelles, une couche en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes de sortie, dans lequel le support rigide est adapté à être en contact avec une source chaude, et la plaque en un matériau élastiquement déformable est adaptée à transmettre à la couche piézoélectrique les contraintes mécaniques liées aux déformations des lamelles bimétalliques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend une paroi, du côté de la couche piézoélectrique opposé à la plaque en un matériau élastique, B9949 - 09-GR3-365

3 cette paroi étant adaptée à être en contact avec une source froide. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le support rigide est adapté à être en contact avec la face supérieure d'une puce de circuit intégré et ladite paroi est adaptée à être en contact avec un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche piézoélectrique est prise en sandwich entre une couche diélectrique inférieure et une couche diélectrique supérieure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des électrodes sont formées sur chaque face principale de la couche piézoélectrique, ces électrodes étant reliées aux bornes de sortie.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend 103 à 109 lamelles bimétalliques par cm2. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque lamelle bimétallique comporte une couche inférieure en contact avec une plaque rigide, et une couche supérieure en contact avec la plaque en un matériau élastiquement déformable, la couche inférieure présentant une faible adhérence par rapport à la plaque rigide. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les lamelles bimétalliques ont, en vue de dessus, une forme 25 rectangulaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est adapté à être monté sur une surface chaude d'un véhicule automobile. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 le dispositif est adapté à être intégré à un chargeur de batterie. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante B9949 - 09-GR3-365

4 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures 1A à 1C sont des vues en coupe schéma-tiques illustrant un mode de réalisation d'un générateur thermo- électrique et son principe de fonctionnement ; et la figure 2 est une vue en perspective illustrant un exemple de procédé de réalisation d'un générateur thermoélectrique du type décrit en relation avec les figures 1A à 1C. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Un aspect d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif adapté à : convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique à l'aide de lamelles bimétalliques changeant de forme lorsque la température varie ; et convertir cette énergie mécanique en énergie électrique à l'aide d'un élément piézoélectrique.

Les figures 1A à 1C sont des vues en coupe schéma-tiques illustrant un mode de réalisation d'un générateur thermoélectrique et son principe de fonctionnement. Dans cet exemple, le générateur thermoélectrique est formé à la surface d'une puce de circuit intégré formée dans et sur un substrat semiconducteur 1, et comprenant, à la surface du substrat, un empilement 3 de couches conductrices d'inter-connexion et de couches isolantes. En fonctionnement, la puce de circuit intégré dégage de la chaleur, et sa surface supérieure atteint par exemple une température comprise entre 60 et 125 °C.

Le générateur thermoélectrique comprend, au dessus de la paroi horizontale chaude formée par la face supérieure 3 de la puce de circuit intégré, une plaque 5 rigide (non compressible) en un matériau thermiquement conducteur, par exemple un métal.

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Au dessus de la plaque 5, sont disséminées de nombreuses lamelles bimétalliques 7. Les lamelles 7 comportent deux couches superposées de matériaux distincts ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Lorsque la tempé- 5 rature varie, par exemple lorsqu'elle augmente, l'une des couches de la lamelle bimétallique se dilate plus que l'autre. Il en résulte une incurvation de la lamelle. Les lamelles 7 sont par exemple choisies de façon à prendre une forme sensiblement plane, parallèle à la plaque rigide 5, à température ambiante.

Une plaque 9 en un matériau élastiquement déformable recouvre l'ensemble des lamelles 7 de façon que les lamelles 7 soient prises en sandwich entre la plaque non compressible 5 et la plaque élastique 9. Le générateur thermoélectrique comprend en outre, au dessus de la plaque élastique 9, un empilement d'une couche diélectrique inférieure 11a, d'une couche piézoélectrique métallisée 13, et d'une couche diélectrique supérieure 11b. A titre d'exemple, les couches diélectriques 11a et 11b pourront avoir une épaisseur de comprise entre 0,1 et 30 µm, par exemple de l'ordre de 20 µm, la couche piézoélectrique 13 pourra avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 20 µm, par exemple de l'ordre de 1 µm, les plaques élastique 9 et rigide 5 pourront avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 50 µm, par exemple de l'ordre de 10 µm, et les lamelles bimétalliques pourront avoir une épaisseur comprise entre 50 nm et 5 µm, par exemple de l'ordre de 1 µm. On prévoira de préférence un grand nombre de lamelles bimétalliques 7 de petites dimensions. Par exemple, sur une puce carrée de 1 cm de côté, on prévoira un nombre de lamelles compris entre 103 et 109, les lamelles ayant, en vue de dessus, une forme rectangulaire. Un élément 15 à surface inférieure horizontale plane est disposé au dessus de la couche diélectrique supérieure 11b, et forme une paroi froide du générateur. L'élément 15 pourra par exemple correspondre à la partie basse d'un radiateur adapté à B9949 - 09-GR3-365

6 être monté sur une puce de circuit intégré et comprenant des ailettes (non représentées) dans sa partie supérieure. La figure 1B représente de façon schématique un état possible du générateur thermoélectrique lorsque, en fonction- nement, la puce de circuit intégré dégage de la chaleur. L'inventeur a remarqué que le transfert de chaleur entre les parois chaude 3 et froide 15 du générateur n'est pas homogène. Notamment, au niveau de l'empilement de la plaque 5, des lamelles 7, et de la plaque 9, la chaleur passe initialement de façon plus privilégiée par certaines régions localisées de l'empilement et moins par d'autres régions. La figure 1B correspond à un cas où, pendant un certain temps, la chaleur passe de façon plus privilégiée par la partie droite du générateur. La température des lamelles bimétalliques 7 augmente donc plus dans cette région que dans d'autres. Il en résulte une incurvation des lamelles 7 dans cette partie du générateur. En se déformant, les lamelles bimétalliques viennent écraser la plaque élastiquement déformable 9. Du fait de son élasticité la plaque 9 permet l'incur- nation des lamelles et transmet à la couche piézoélectrique 13 les contraintes mécaniques liées à la déformation des lamelles. Ces contraintes mécaniques sont transformées en un signal électrique par la couche piézoélectrique. Pour exploiter ce signal, on pourra par exemple former, sur les faces inférieure et supé- rieure de la couche piézoélectrique, des électrodes minces (non représentées), reliées à des bornes de sorties V+ et V_ du générateur. Le soulèvement des extrémités latérales des lamelles bimétalliques tend à dégrader, dans la région concernée, la conductivité thermique de l'empilement de la plaque rigide 5, des lamelles 7, et de la plaque élastique 9. En effet, dans cette région, la formation de zones d'air, de gaz, ou de vide qui résulte de ce soulèvement freine les transferts de chaleur. Les flux de chaleur tendent à se déplacer vers d'autres régions du générateur, notamment des régions dans B9949 - 09-GR3-365

7 lesquelles les lamelles bimétalliques ne sont pas incurvées ou déformées, et présentent donc une bonne conductivité thermique. La figure 1C correspond à un autre état du générateur thermoélectrique, par exemple consécutif à l'état représenté en figure 1B. Dans cet exemple, un chemin de transfert de chaleur privilégié s'est établi dans une région plus à gauche du générateur. Comme cela a été expliqué, il en résulte une déformation des lamelles bimétalliques 7, qui exercent alors une pression sur la couche piézoélectrique 13.

Dans la partie droite du générateur les lamelles 7, n'étant plus soumises à un flux de chaleur soutenu, refroidis-sent et reprennent une forme sensiblement plane. L'élasticité du matériau de la plaque 9 tend à accentuer ce phénomène et aide les lamelles 7 à reprendre leur forme initiale en exerçant des contraintes verticales compressives sur leurs extrémités latérales. Dans la pratique, en raison du grand nombre de lamelles 7, par exemple 103 à 109 lamelles par cm2, le phénomène de pression/dépression subi par la couche piézoélectrique 13 se produit à une fréquence élevée et presque régulière. Ce phénomène initié en des zones localisées parcourt de façon aléatoire toute la surface du générateur. Ceci est d'autant plus vrai que le nombre de lamelles est grand. On notera que, dans une puce de circuit intégré, il est courant que certaines régions dégagent plus de chaleur que d'autres, et que la localisation de ces pics de chaleur varie dans le temps. Ceci contribue à provoquer des déplacements des flux de chaleur sur toute la surface du générateur. Toutefois, le générateur thermoélectrique proposé peut également fonc- tionner lorsque la source de chaleur est parfaitement homogène dans l'espace et dans le temps. La figure 2 est une vue en perspective illustrant de façon schématique un exemple de procédé de réalisation d'un générateur thermoélectrique du type décrit ci-dessus.

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8 Sur cette figure, seules la plaque 5 en un matériau rigide, et des lamelles bimétalliques 7, formées sur la face supérieure de la plaque 5, sont représentées. Après la formation de la plaque 5, deux couches minces superposées de matériaux distincts sont déposées successivement sur toute la surface supérieure de la plaque 5. A titre d'exemple, on pourra choisir un métal à fort coefficient de dilatation thermique pour former la couche inférieure 7a et un métal à faible coefficient de dilatation thermique pour former la couche supérieure 7b. Des portions des couches superposées 7a, 7b sont alors retirées, par gravure, pour délimiter des lamelles bimétalliques 7 du type décrit ci-dessus. On veillera à choisir les matériaux, et notamment les matériaux de la plaque 5 et de la couche 7a, de façon que les lamelles bimétalliques 7 se décollent facilement de la plaque 5 lors des déformations liées à des variations de température. Si cela s'avère nécessaire, on pourra prévoir, avant le dépôt de la couche 7a, une étape intermédiaire de dépôt, sur la plaque 5, d'un matériau présentant une faible adhérence avec le matériau de la couche 7a. Après la formation des lamelles 7, la plaque 9 en un matériau élastiquement déformable, et les couches diélectriques et piézoélectrique 11a, 13 et 11b (figure 1A), sont formées par dépôts successifs. On choisira de préférence pour toutes les couches formant le générateur thermoélectrique, des matériaux relativement bons conducteurs thermiques, de façon à favoriser les transferts de chaleur de la paroi chaude 3 vers la paroi froide 15.

Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on a décrit un générateur thermo- électrique dans lequel une couche piézoélectrique permet de convertir en énergie électrique des contraintes mécaniques B9949 - 09-GR3-365

9 provoquées par la déformation, sous l'effet de la chaleur, de lamelles bimétalliques. L'homme de l'art saura prévoir toute autre disposition du matériau piézoélectrique. A titre d'exemple, on pourra prévoir une pluralité de couches piézo- électriques fines superposées, des électrodes minces reliées alternativement aux bornes de sortie V+ et V_ séparant les couches piézoélectriques. On a en outre proposé de prévoir, de chaque côté de la couche piézoélectrique, des couches diélectriques. Ces couches ont notamment pour rôle d'isoler électriquement la couche piézo-électrique du reste de la structure du générateur. Toutefois, ces couches sont optionnelles. On pourra par exemple réaliser un générateur dans lequel la couche piézoélectrique est directement en contact avec la plaque en un matériau élastiquement déformable. De même, la plaque 5 en un matériau non compressible mentionnée ci-dessus est optionnelle. Si le générateur est monté directement sur une surface chaude rigide, par exemple la face supérieure d'une puce de circuit intégré, cette surface pourra jouer le rôle de support rigide. Par ailleurs, on a mentionné ci-dessus l'utilisation de lamelles bimétalliques rectangulaires. On pourra prévoir toute autre forme de lamelle adaptée à se déformer lorsque la température varie.

De plus, la présente invention ne se limite pas à l'utilisation d'une puce de circuit intégré comme source de chaleur pour faire fonctionner le générateur thermoélectrique. A titre d'exemple, le générateur pourra être monté dans un boîtier comportant une paroi chaude et une paroi froide, la paroi chaude étant adaptée à venir en contact avec une surface chaude telle qu'une paroi métallique d'un pot d'échappement de voiture, un dispositif de freinage d'un véhicule, un toit d'une maison, ou toute autre source de chaleur. Le générateur pourra par exemple être monté dans un chargeur de batterie adapté à recharger des batteries à partir d'une source de chaleur.

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10 En outre, la présente invention ne se limite pas au procédé de réalisation mentionné ci-dessus à titre d'exemple, ni aux dimensions proposées ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie électrique comprenant : une pluralité de lamelles bimétalliques (7) disséminées entre un support rigide et une plaque (9) en un matériau 5 élastiquement déformable ; et du côté de la plaque en un matériau élastiquement déformable opposé aux lamelles, une couche (13) en un matériau piézoélectrique reliée à des bornes (V+, V_) de sortie, dans lequel le support rigide est adapté à être en 10 contact avec une source chaude (3), et la plaque en un matériau élastiquement déformable est adaptée à transmettre à la couche piézoélectrique les contraintes mécaniques liées aux déformations des lamelles bimétalliques.
2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une 15 paroi (15), du côté de la couche piézoélectrique (13) opposé à la plaque (9) en un matériau élastique, cette paroi étant adaptée à être en contact avec une source froide.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le support rigide est adapté à être en contact avec la face 20 supérieure (3) d'une puce de circuit intégré et ladite paroi (15) est adaptée à être en contact avec un radiateur adapté à être monté sur une puce de circuit intégré.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche piézoélectrique est prise 25 en sandwich entre une couche diélectrique inférieure (11a) et une couche diélectrique supérieure (llb).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel des électrodes sont formées sur chaque face principale de la couche piézoélectrique, ces 30 électrodes étant reliées aux bornes de sortie.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant 103 à 109 lamelles bimétalliques par cm2.B9949 - 09-GR3-365 12
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque lamelle bimétallique comporte une couche inférieure (7a) en contact avec une plaque rigide (5), et une couche supérieure (7b) en contact avec la plaque (9) en un matériau élastiquement déformable, la couche inférieure (7a) présentant une faible adhérence par rapport à la plaque rigide (5).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les lamelles bimétalliques (7) ont, 10 en vue de dessus, une forme rectangulaire.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, adapté à être monté sur une surface chaude d'un véhicule automobile.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-15 cations 1 à 9, adapté à être intégré à un chargeur de batterie.