FR2982996A1

FR2982996A1 - Dispositif thermo electrique, notamment destine a generer un courant electrique dans un vehicule automobile, et procede de fabrication dudit dispositif.

Info

Publication number: FR2982996A1
Application number: FR1160689A
Authority: FR
Inventors: Michel Simonin; Patrick Boisselle; Vaulx Cedric De
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-24
Anticipated expiration: 2031-11-23
Also published as: WO2013076215A1; FR2982996B1; EP2783401A1; US20140299170A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments (4), dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces (3a, 3b), dites faces de contact, des pistes de conduction électrique (20), et une brasure de jonction entre lesdites faces de contact (3a, 3b) et les pistes de conduction électrique. Selon l'invention, ladite brasure comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif, utilisant le brasage en phase solide.

Description

Dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, et procédé de fabrication dudit dispositif La présente invention concerne un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, et un procédé de fabrication dudit dispositif. Il a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement.

Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid. Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entrainée par le vilebrequin du moteur. Un inconvénient des dispositifs thermo électriques employés à ce jour est leur coût de revient élevé, en particulier dû aux matériaux rares employés pour réaliser les éléments thermo électriques, et un premier objectif de l'invention est de permettre l'utilisation d'éléments thermo électriques présentant un coût réduit, compatible avec les coûts de revient rencontrés dans l'industrie automobile. L'invention se propose ainsi d'employer des éléments thermo électriques réalisés à partir de matériaux présentant un intérêt économique grâce à l'utilisation de constituants disponibles en grande quantité. Cela étant, pour disposer d'un courant et d'une tension d'un niveau suffisamment élevés, il est nécessaire de relier les éléments thermo électriques entre eux, en série et/ou en parallèle, à l'aide de pistes de conduction électrique, prévues à la surface des tubes. Différentes solutions ont déjà été étudiées pour assurer le brasage des éléments thermo électriques sur les pistes de conduction. Pour les éléments thermo électriques employant des matériaux relativement courants, il a déjà été essayé avec succès des brasages à l'aide d'argent. Un tel matériau est cependant onéreux. De plus, pour éviter les phénomènes de diffusion métallique entre les éléments thermo électriques et la brasure, il est nécessaire de prévoir des couches de matériaux anti- diffusion à la surface des éléments thermo électriques, telles que des couches de quelques micromètres de nickel. L'emploi d'argent pour la brasure et la nécessité de protéger les éléments thermo électriques pour empêcher les phénomènes de diffusion vont ainsi à l'encontre du but poursuivi.

La présente invention vise à améliorer la situation et propose à cet effet un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, des pistes de conduction électrique, et une brasure de jonction entre lesdites faces de contact et les pistes de conduction électrique. Selon l'invention, ladite brasure comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium. On dispose ainsi d'une brasure qui pourra être issue d'un brasage en phase solide, ce qui limite les risques de diffusion métallique depuis les éléments thermo électriques. On entend par brasage en phase solide un brasage dans lequel le matériau servant au brasage est amené dans un état pâteux, situé en-dessous de son liquidus. On peut donc éviter l'emploi de placage anti-diffusion. Le choix d'un tel alliage, utilisant des composants moins onéreux que l'argent, contribue également à la réduction des coûts. Selon différents modes de réalisation, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - la teneur en aluminium de la brasure, en poids, est majoritaire, - la teneur en silicium de la brasure, en poids, est inférieure à 20%, - la teneur en silicium de la brasure, en poids, est comprise entre 5 et 15%, - les pistes de conduction sont en nickel et/ou en cuivre, - les éléments thermo électriques sont à base d'alliage de silicium, - les éléments thermo électriques sont du type Mg2Si ou MnSi.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, et des pistes de conduction électrique. Selon ledit procédé, on réalise une brasure de jonction entre lesdites faces de contact et les pistes de conduction électrique, par brasage en phase solide. Comme déjà dit, on limite ainsi les risques de diffusion sans avoir à utiliser de couches de plaquage spécifiques. Selon différents modes de réalisation, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - on réalise ledit brasage en appliquant une pression aux éléments à braser, - on réalise ledit brasage sous atmosphère inerte, - on réalise ledit brasage sous vide, - on réalise ladite brasure de jonction à l'aide d'un matériau de brasage présentant un point de fusion supérieur à 580°C, - le matériau de brasage comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium. - le matériau de brasage est constitué d'un feuillard d'une épaisseur comprise entre 20 et 500 micromètres, notamment entre 50 et 200 micromètres, - le matériau de brasage provient d'un feuillard, apte à constituer simultanément les pistes de conduction et ladite brasure de jonction, - ledit feuillard comprend une âme en aluminium plaquée sur au moins une de ses faces d'un alliage à base d'aluminium et de silicium.

L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : - la figure 1 illustre en perspective, un exemple de dispositif thermo électrique, représenté de façon éclatée, - la figure 2 illustre de façon schématique, en vue de coupe longitudinale, un tube du dispositif de la figure 1, illustré partiellement, et un élément thermo électriques disposé sur ledit tube, ceci avant brasage, selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 3 illustre de façon schématique, en vue de coupe longitudinale, un tube du dispositif de la figure 1 et une paire d'éléments thermo électriques disposés sur ledit tube, ceci avant brasage, selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 illustre un dispositif thermo électrique comprenant des supports de conduction thermique en contact avec une source chaude ou froide tels qu'une pluralité de tubes 1 de circulation d'un premier fluide alternant avec une pluralité de tubes 2 de circulation d'un second fluide. Lesdits tubes 1, 2 s'étendent ici parallèlement les uns aux autres dans une même direction. Les tubes 1 de circulation du premier fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit chaud. Il pourra s'agir des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Les tubes 2 de circulation du second fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit froid, présentant une température inférieure à la température du premier fluide. Il pourra s'agir d'un liquide de refroidissement, tel qu'un mélange d'eau et de glycol, provenant, par exemple, d'une boucle de refroidissement basse température du véhicule. Ici, les tubes de circulation 1 de gaz d'échappement sont au nombre de trois et les tubes de circulation 2 du liquide de refroidissement sont au nombre de quatre. Ledit dispositif comprend en outre une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact. Selon un premier aspect de l'invention, lesdits éléments thermo électriques sont à base de matériaux relativement courant donc peu onéreux.

Il s'agit, par exemple, de matériaux à base d'alliage de silicium. On pourra ainsi utiliser des éléments thermo électriques du type Mg2Si ou MnSi. Selon l'effet Seebeck, de tels éléments permettent la création d'un courant électrique dans une charge reliée auxdites faces de contact. Lesdits éléments thermo électriques 4, visibles de façon schématique aux figures 2 et 3, présentent ici une forme sensiblement parallélépipédique et les faces de contact 3a, 3b sont opposées l'une à l'autre. Ces dernières sont disposées en vis-à-vis de la surface extérieure desdits tubes 1, 2 de circulation du premier et du second fluide. On remarquera à l'occasion qu'aux figures 2 et 3, pour des soucis de simplification, le tube froid n'est pas représenté et le tube chaud 1 n'est présenté que de façon partielle, seule sa paroi extérieure située en vis-à-vis des éléments thermo électrique 4 étant illustrée. Les éléments thermo électriques 4 pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Si l'on se reporte de nouveau à la figure 1, on constate que les éléments thermo électriques 4 sont ici réparties en nappes 5 prévues entre les tubes 1 de circulation du premier fluide et les tubes 2 de circulation du second fluide. Les éléments thermo électriques sont reliés électriquement. En particulier les éléments thermo électriques de type P et les éléments thermo électriques de type N d'une même nappe 5 pourront être associés entre eux de façon à permettre la circulation du courant en série d'un élément du premier type vers un élément du second type. Les éléments thermo électriques ainsi associés forment une cellule de conduction de base et les cellules obtenues pourront être associées en série et/ou en parallèle. A l'intérieur d'une même cellule de conduction, des éléments thermo électriques d'un même type pourront être associés en parallèle pour augmenter l'intensité du courant fourni. Les nappes 5 sont reliées électriquement entre elles, en série et/ou en parallèle. Un connecteur électrique, non représenté, permet de relier le dispositif à un circuit électrique extérieur. Le courant généré par l'ensemble desdits éléments thermo électriques est ainsi transmis au circuit électrique auquel ledit dispositif est raccordé. Lesdits tubes de circulation 1, 2 présentent, par exemple, une section aplatie selon une direction d'allongement, orthogonale à la direction d'extension des tubes. Lesdits tubes de circulation 1, 2 pourront ainsi être des tubes plats. On entend par là qu'ils présentent deux grandes faces planes parallèles reliés par des petits côtés. Les éléments thermo électriques 4 sont au contact de l'une et/ou l'autres des faces planes des tubes 1, 2 par leurs faces de contact 3a, 3b.

Lesdits tubes 1, 2 présentent, par exemple, une multiplicité de canaux. Lesdits tubes 2 destinés à la circulation du fluide froid sont constitués, par exemple, d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium. Ils sont, notamment, extrudés. Leurs canaux pourront être de section ronde. Les tubes 1 destinés à la circulation du fluide chaud, sont constitués, notamment, d'acier inox. Ils sont formés, par exemple, par profilage, soudage et/ou brasage. Leurs canaux de passage du fluide sont séparés, notamment, par des cloisons reliant les faces planes opposées des tubes. Ledit dispositif comprend en outre, par exemple, une plaque collectrice 15 à chacune des extrémités desdits tubes 1 de circulation du premier fluide. Ladite plaque collectrice 15 est munie d'orifices 6 dans lesquels les extrémités desdites tubes 1 de circulation du premier fluide sont insérées. Ledit dispositif pourra également comprendre des boîtes collectrices 7 en communication de fluide avec l'extrémité desdits tubes de circulation 1 du premier fluide et fixées aux plaques collectrices 5 par l'intermédiaire de vis 8.

Lesdites boîtes comprennent un orifice 16 pour l'entrée et/ou la sortie du premier fluide. Lesdits tubes 2 de circulation du second fluide pourront être munis à chacune de leur extrémité de collecteurs 9 permettant une mise en communication desdits tubes 2 de circulation du second fluide et d'une boîte collectrice, non représentée, du second fluide par l'intermédiaire d'orifices 10 débouchant sur un face latérale du faisceau défini par l'empilement des tubes 1, 2 de circulation du premier et du second fluide. Ledit dispositif thermo électrique comprend en outre des pistes de conduction électrique, et une brasure de jonction entre lesdites faces de contact et les pistes de conduction électrique. Aux figures 2 et 3, lesdites pistes de conduction électrique et le matériau servant à former ladite brasure sont respectivement repérés 20, 22. Ils sont ici illustrés dans leur forme avant brasage. Après brasage, le matériau servant au brasage est répartie entre les éléments thermo électrique 4 et les pistes de conduction électrique 20 pour former ladite brasure de jonction qui établit une liaison électriquement et thermiquement conductrice entre lesdits éléments thermo électriques 4 et lesdites pistes 20. Lesdites pistes de conductions électrique 20 sont prévues en contact avec les supports de conduction thermique chaud et/ou froid, c'est-à-dire, ici, les tubes chauds 1 et/ou froids 2. Les pistes de conduction sont, par exemple, en nickel et/ou en cuivre. Une couche de matériau 24 conductrice thermiquement et isolante électriquement pourra être prévue entre les supports de conduction thermique chaud et/ou froid et lesdites pistes de conduction 20, tel qu'une couche d'alumine.

Autrement dit, dans ledit dispositif, les gaz d'échappement parcourent les tubes chauds tandis que le liquide de refroidissement parcoure les tubes froids. Un gradient de température s'établit ainsi entre les tubes chauds et les tubes froids. Il est appliqué aux éléments thermo électriques 4 à travers la couche d'alumine 24, les pistes de conductions 20 et la brasure de jonction. Il permet auxdits éléments thermo électriques 4 de générer un courant électrique, conduit par la brasure et les pistes de conduction. Selon l'invention, ladite brasure comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium. On emploie ainsi une brasure dont les matériaux sont relativement courants et présentent donc un faible coût de revient. En outre, on dispose d'une solution qui limite la diffusion métallique depuis les éléments thermo électriques 4, sans avoir à utiliser une couche de matériau anti-diffusion. En effet, une telle brasure peut être issue d'un brasage en phase solide. Après brasage, la liaison présente des caractéristiques excellentes d'un point de vue thermique, électrique et mécanique.

Une telle brasure permet de plus de résister à des températures de fonctionnement de l'ordre de 500°C, voire 530°C, c'est-à-dire, des températures compatibles avec la circulation de gaz d'échappement dans les tubes 1, à une température de l'ordre de 750°C. On dispose de la sorte d'une solution particulièrement adaptée à des applications dans le domaine automobile.

A ce sujet, ledit alliage sera en particulier utilisé du côté de la source chaude, c'est-à-dire, ici, des tubes chauds 1. La teneur en aluminium de la brasure, en poids, est de préférence majoritaire. La teneur en silicium de la brasure, en poids, est ainsi inférieure, par exemple à 20%. Elle pourra en particulier être comprise entre 5 et 15%. Elle est, notamment, d'environ 10%. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, tel que celui décrit plus haut. Selon ledit procédé, on réalise la brasure de jonction entre lesdites faces de contact 3a, 3b des éléments thermo électriques 4 et lesdites pistes de conduction électrique 20 par brasage en phase solide. Comme déjà dit, on évite de la sorte la diffusion métallique sans avoir à employer de couche anti-diffusion entre lesdits éléments thermo électriques 4 et lesdites pistes de conduction électrique 20. Selon un aspect de l'invention, on pourra réaliser ledit brasage en appliquant une pression aux éléments à braser. Dans la configuration évoquée plus haut, il pourra s'agir de moyens extérieurs au dispositif, imprimant à l'empilement de tubes 1, 2 un effort orthogonal à leurs grandes faces planes. Selon un autre aspect de l'invention, on pourra utiliser des conditions de brasage permettant d'éviter une oxydation du matériau de brasage. Il pourra s'agir, par exemple, d'un brasage sous atmosphère inerte. Selon une variante, on pourra réaliser ledit brasage sous vide. On réalise ladite brasure de jonction, par exemple, à l'aide d'un matériau de brasage 22 présentant un point de fusion, sous conditions normales de pression, supérieur à 580°C. Il s'agit d'un point de fusion compris, notamment, entre 580 et 600°C. De son côté, la température de brasage est maintenue, par exemple, en dessous de 580°C, notamment en-dessous de 570°C. On peut de la sorte avoir un brasage sans atteindre le liquidus, ceci tout en épargnant les éléments thermo électrique 4 lors du brasage et en disposant d'une brasure de jonction qui pourra résister aux conditions de fonctionnement. On pourra en particulier choisir un matériau de brasage 22 comprenant un alliage à base d'aluminium et de silicium, tel que cela a déjà été évoqué plus haut. Dans un tel alliage, la quantité de silicium employée permet de régler la température du point de fusion. Selon un premier mode de mise en oeuvre, illustré à la figure 2, le matériau de brasage 22 est constitué d'un feuillard 26 d'une épaisseur comprise entre 20 et 500 micromètres, notamment entre 50 et 200 micromètres. Il est disposé entre les pistes de conduction 20 et les éléments thermo électriques 4. Il est ici en correspondance des surfaces de contacts 3a, 3b desdits éléments thermo électriques 4.

Selon un autre mode de réalisation, illustré à la figure 3, le matériau de brasage 22 provient d'un feuillard 28, apte à constituer simultanément les pistes de conduction et ladite brasure de jonction. Il n'est ainsi plus nécessaire de prévoir des pistes de conduction rapportées. Ledit feuillard 28 comprend, par exemple, une âme en aluminium 30 plaquée sur au moins une de ses faces, ici les deux, d'un alliage 32 à base d'aluminium et de silicium. Après brasage, ladite âme 30 définit les pistes de conduction tandis que l'alliage de plaquage définit la brasure, d'un côté, entre les pistes de conduction et les éléments thermo électriques 4 et, de l'autre, entre le support de conduction électrique, ici les tubes 1, 2, et les pistes de conduction. L'épaisseur du feuillard est configurée en fonction du courant à faire passer. Elle pourra typiquement être entre 0.5 et 2 mm. Par ailleurs, l'épaisseur dudit alliage de plaquage pourra représenter entre 10 et 30% de l'épaisseur total du feuillard 28.

Bien naturellement, le dispositif décrit plus haut, en relation avec la figure 1, n'est qu'un exemple de dispositif thermo électrique conforme à l'invention qui pourra s'appliquer à des dispositifs présentant de nombreuses autres configurations. En particulier les supports de conductions thermiques munis desdites pistes de conduction électriques et de ladite brasure pourront être des tubes d'autres formes, constitués d'autres matériaux ou agencés différemment. Il pourra encore s'agir d'ailettes de conduction thermique reliées à la source froide et/ou à la source chaude, notamment par l'intermédiaire de tubes de circulation de fluide.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments (4), dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces (3a, 3b), dites faces de contact, des pistes de conduction électrique (20), et une brasure de jonction entre lesdites faces de contact (3a, 3b) et les pistes de conduction électrique caractérisé en ce que ladite brasure comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la teneur en aluminium de la brasure, en poids, est majoritaire.
3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la teneur en silicium de la brasure, en poids, est inférieure à 20%.
4. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la teneur en silicium de la brasure, en poids, est comprise entre 5 et 15%, notamment 10%.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel lesdits éléments thermo électriques (4) sont à base d'alliage de silicium.
6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel lesdits éléments thermo électriques (4) sont du type Mg2Si ou MnSi.
7. Procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments (4), dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces (3a, 3b), dites faces de contact, et des pistes de conduction électrique (20), procédé dans lequel on réalise une brasure de jonction entrelesdites faces de contact (3a, 3b) et les pistes de conduction électrique (20) par brasage en phase solide.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel on réalise ledit brasage en appliquant une pression aux éléments à braser.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 dans lequel on réalise ledit brasage sous atmosphère inerte.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 dans lequel on réalise ledit brasage sous vide.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 dans lequel on réalise ladite brasure de jonction à l'aide d'un matériau de brasage (22) présentant un point de fusion supérieur à 580°C.
12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le matériau de brasage (22) comprend un alliage à base d'aluminium et de silicium.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 dans lequel le matériau de brasage (22) est constitué d'un feuillard (26) d'une épaisseur comprise entre 20 et 500 micromètres, notamment entre 50 et 200 micromètres.
14. Procédé selon l'une quelconques des revendications 11 ou 12 dans lequel le matériau de brasage (22) provient d'un feuillard (28), apte à constituer simultanément les pistes de conduction et ladite brasure de jonction.
15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel ledit feuillard (28) comprend une âme (30) en aluminium plaquée sur au moins une de ses faces d'un alliage (32) à base d'aluminium et de silicium.