FR2994336A1 - Procede de fabrication d'un module thermo electrique, notamment, destine a generer un courant electrique dans un vehicule automobile et module thermo electrique obtenu par ledit procede. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un module thermo électrique (10) comprenant une pluralité d'éléments thermo électriques (3n, 3p), susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites première et deuxième faces de contact (4a, 4b), procédé dans lequel : - on effectue un brasage des éléments thermo électriques (3n, 3p) au niveau de leur première face de contact (4a) à des premiers moyens de connexion électrique (11), le brasage s'effectuant à une première température, dite chaude, - on brase ensuite les éléments thermo électriques (3n, 3p) au niveau de leur deuxième face de contact (4b) à des deuxièmes moyens de connexion électrique (12), le brasage s'effectuant à une deuxième température, dite froide, inférieure à la température chaude. L'invention concerne aussi un module thermo électrique (10) obtenu par le procédé de fabrication tel que décrit précédemment.

Description

Procédé de fabrication d'un module thermo électrique, notamment, destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile et module thermo électrique obtenu par ledit procédé.

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un module thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile et un module thermo électrique obtenu par ledit procédé. Actuellement, il a déjà été proposé des modules 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, dites première et deuxième faces de contact, selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces modules 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 premières faces des éléments thermo électrique sont reliées thermiquement avec les tubes froids et les deuxièmes faces des éléments thermo électrique sont reliées thermiquement avec les tubes chauds. Les éléments thermo électriques sont ainsi soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid. Les éléments thermo électriques disposés dans de tels modules sont de deux types : - des éléments de type P permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, - des éléments type 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.

Les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N. Ils sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un élément thermo électrique de type P et d'un élément thermo électrique de type N. On configure ainsi le module pour permettre une circulation de courant entre les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques de deux paires voisines. Autrement dit, le courant circule en série à travers les éléments thermo électriques en passant alternativement d'un élément thermo électrique de type P à un élément thermo électrique de type N. Pour cela, le module comprend une pluralité de pistes électriques, chacune d'entre elle reliant les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire ou les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines afin de permettre la circulation de courant décrite précédemment.

Il est connu d'assembler les éléments thermo électriques aux premières et deuxièmes pistes électriques par un traitement thermique. Pendant ce traitement thermique, les pistes électriques, en métal, et les éléments thermo électriques sont amenés à se dilater sous l'effet de la température de façon libre avant que la solidarisation ne s'effectue. Une fois que les pièces à assembler ont atteint la bonne température, la solidarisation se réalise et on commence alors à refroidir l'ensemble. Or, les différentes pièces à assembler ne présentent pas les mêmes coefficients de dilatation. Ainsi, lors du refroidissement, les pièces solidarisées entre elles ne se rétractent pas de la même façon. Cette différence de rétractation engendre un effet de cisaillement entre les pièces assemblées qui risque de les endommager, notamment en créant des fissures et/ou des cassures. L'invention vise à améliorer la situation.

L'invention concerne ainsi un procédé de fabrication d'un module thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments thermo électriques, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites première et deuxième faces de contact, procédé dans lequel : - on effectue un brasage des éléments thermo électriques au niveau de leur première face de contact à des premiers moyens de connexion électrique, le brasage s'effectuant à une première température, dite chaude, - on brase ensuite les éléments thermo électriques au niveau de leur deuxième face de contact à des deuxièmes moyens de connexion électrique, le brasage s'effectuant à une deuxième température, dite froide, inférieure à la température chaude.

Pendant la première phase de brasage, c'est-à-dire celle effectuée à la température chaude, bien que les premiers moyens de connexion électrique subissent des dilatations et des contractions importantes, les éléments thermo électriques ne sont pas mis sous contrainte puisqu'ils sont solidarisés aux premiers moyens de connexion électrique uniquement au niveau de leur première face de contact. Lorsque l'on effectue la deuxième phase de brasage, c'est-à-dire celle réalisée à la température froide, on vient assembler les deuxièmes moyens de connexion électrique du coté des deuxièmes faces actives des éléments thermo électriques, avec des dilatations et des contractions beaucoup plus faibles puisque le brasage est réalisé avec une température inférieure, ce qui limite donc les contraintes exercées sur les éléments thermo électriques. Selon un aspect de l'invention, on brase les éléments thermo électriques au niveau de leur première face de contact par paire de sorte que chaque paire est connectée électriquement par un des premiers moyens de connexion électrique et on effectue le brasage des éléments thermo électriques au niveau de leur deuxième face de contact de sorte que chacun des deuxièmes moyens de connexion électrique relie électriquement deux paires d'éléments thermo électriques. On configure ainsi le module thermo électrique pour que le courant puisse circuler en série à travers les éléments thermo électriques en passant entre deux élément thermo électrique d'une même paire par les premiers moyens de connexion électrique et entre deux éléments thermo électriques voisins appartenant à deux paires adjacentes par leur deuxièmes moyens de connexion électrique. Selon un exemple de réalisation de l'invention, la température chaude est supérieure à 500°C. Avantageusement, la température froide est inférieure à 300°C. La température froide est, par exemple, supérieure à 100°C. Les premiers moyens de connexion électrique sont, par exemple, en Nickel. Les deuxièmes moyens de connexion électrique sont, notamment, en Cuivre.

Selon un aspect de l'invention, on assemble les premiers moyens de connexion électrique à des tubes, dits tubes chauds, comprenant des parois et dans lesquels un fluide chaud est destiné à circuler, préalablement au brasage des premiers moyens de connexion électrique aux éléments thermo électriques. Les premiers moyens de connexions sont, par exemple, pulvérisés à chaud sur les tubes chauds. Alternativement, on assemble les tubes chauds sur les premiers moyens de connexion électrique par compression. Les tubes chauds sont, notamment, en acier inoxydable.

Selon un exemple de réalisation de l'invention, on choisit pour le brasage entre les éléments thermo électriques et les premiers moyens de connexion électrique un matériau de brasage, dit premier matériau de brasage, dont la température de brasage est supérieure à celle des parois chauffées par le fluide chaud. Ainsi, lors du fonctionnement du module thermo électrique, la présence du fluide chaud dans les tubes chauds n'altèrera pas la qualité de la brasure. Le premier matériau de brasage permet d'effectuer le brasage à la température chaude. Le premier matériau de brasage est, notamment, un alliage d'Aluminium et de 20 Silicium. Selon un aspect de l'invention, on choisit pour le brasage entre les éléments thermo électriques et les deuxièmes moyens de connexion électrique un matériau de brasage, dit deuxième matériau de brasage, dont la température de brasage est 25 inférieure à celle du premier matériau de brasage. Ce deuxième matériau de brasage permet ainsi d'effectuer le brasage à la température froide. Le deuxième matériau de brasage est, par exemple, un alliage d'Etain et d'Argent. 30 Selon un exemple de réalisation de l'invention, on assemble des moyens de conduction thermique aux deuxièmes moyens de connexion électrique par compression. Les moyens de conduction thermique sont, notamment, des ailettes métalliques. Ils sont, par exemple, reliés thermiquement à des tubes, dit tubes froids, destinés à recevoir un deuxième fluide dont la température est inférieure à celle du fluide chaud circulant dans les tubes chauds. Lesdits tubes froids et lesdites ailettes métalliques pourront être assemblés de façon mécanique.

L'invention concerne aussi un module thermo électrique obtenu par le procédé de fabrication tel que décrit précédemment. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments 10 semblables. - la figure 1 illustre de façon schématique, en perspective éclatée, un exemple de réalisation d'une partie d'un dispositif thermo électrique comprenant un module thermo électrique selon l'invention, 15 - la figure 2 est une vue schématique de coté illustrant l'assemblage d'une partie du module thermo électrique de l'invention selon une première étape d'un exemple de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, 20 - la figure 3 illustre une seconde étape du procédé de la figure 1, - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2 dans une variante de réalisation du procédé conforme à l'invention, 25 - la figure 5 illustre une seconde étape du procédé de la figure 4. Comme illustré par la figure 1, l'invention concerne un module thermo électrique 10. Le module thermo électrique 10 fait parti d'un dispositif thermo électrique 1, comprenant un premier circuit 2, dit chaud, apte à permettre la 30 circulation d'un fluide chaud, notamment, des gaz d'échappement d'un moteur, et un second circuit 7, dit froid, apte à permettre la circulation d'un fluide froid, notamment un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du fluide chaud.

Le circuit chaud comprend des tubes 8, dits chauds, aptes à permettre la circulation du fluide chaud. Lesdits tubes chauds 8 comprennent des parois définissant un volume interne des tubes chauds 8. Lorsque le fluide chaud circule à l'intérieur des tubes chauds il chauffe ainsi lesdites parois. Le circuit froid comprend des tubes 9, dits froids, aptes à permettre la circulation du fluide froid. Le module thermo électrique 10 comprend des éléments 3p, 3n, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température.

Il s'agit, par exemple, d'éléments de forme sensiblement parallélépipédiques générant un courant électrique, selon l'effet Seebeck, lorsqu'ils sont soumis audit gradient entre deux de leurs faces opposées 4a, 4b, dites première 4a et deuxième 4b faces actives. De tels éléments permettent la création d'un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces actives 4a, 4b. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, des siliciures de manganèse (MnSi) ou des siliciures de magnésium (Mg2Si). Les éléments thermo électriques sont, pour une première partie, des éléments 3p 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 3n 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.

Le dispositif thermo électrique 1 comprend également des moyens de conduction thermique, ici des ailettes métalliques 5, en relation d'échange thermique avec les tubes froids 9 et les éléments thermo électriques 3p, 3n. Ainsi, les éléments thermo électriques 3n, 3p sont en contact, d'une part, avec les tubes chauds 8 et, d'autre part avec les ailettes métalliques 5, de façon à ce que lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n génèrent le courant prévu lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température.

Ce sont donc les ailettes métalliques 5 qui remplissent la fonction d'établissement du contact thermique avec les éléments thermo électriques, pour le circuit froid. Quant aux tubes chauds 8, ils peuvent être choisis pour être compatible avec la circulation de fluides contraignants, notamment de température élevée et/ou corrosifs comme des gaz d'échappement d'un moteur. Par ailette mécanique 5, on entend un élément présentant deux grandes surfaces opposées planes et d'épaisseur très inférieure à sa largeur et à sa longueur, permettant d'établir un contact surfacique, par exemple, avec les deuxièmes faces actives 4b des éléments thermo électriques. Les ailettes sont formées dans un matériau conducteur de la chaleur, notamment un matériau métallique tel que du cuivre ou de l'aluminium. Les ailettes métalliques 5 sont, par exemple, revêtues d'un matériau électriquement isolant.

De la même manière les tubes chauds 8 sont, notamment, des tubes sensiblement plats comprenant deux grandes faces opposées parallèles sur laquelle sont disposés les éléments thermo électriques 3p, 3n, par exemple, par leur première face active 4a opposée à la deuxième face active 4b en contact avec les ailettes métalliques 5. Ils pourront être configurés pour permettre la circulation de gaz d'échappement et sont, notamment, en acier inoxydable. Ils sont formés, par exemple, par profilage, soudage et/ou brasage. Ils pourront présenter une pluralité de canaux de passage du premier fluide. Les tubes chauds 8 sont, notamment, revêtus au niveau desdites grandes faces d'une couche de matériau électriquement isolant. Les ailettes métalliques 5 sont disposées, notamment, de façon sensiblement parallèle aux faces planes des tubes chauds 8. Elles présentent, par exemple, des orifices pour le passage des tubes froids 9. Les tubes froids 9 sont, par exemple, en aluminium ou en cuivre et présentent une section ronde et/ou ovale de forme complémentaire aux orifices de passage ménagés dans les ailettes. Le contact entre les tubes froids 9 et les ailettes métalliques 5 est réalisé, notamment, par une expansion de la matière des tubes comme dans les échangeurs de chaleur connus sous le nom d'échangeurs mécaniques dans le domaine des échangeurs de chaleur pour les véhicules automobile. Comme illustré à la figure 1, les éléments thermo électriques 3n, 3p sont réparties en nappes prévues entre les tubes 1 de circulation du premier fluide et les ailettes métalliques 5. Chaque nappe comprend une pluralité d'éléments thermo électriques 3n, 3p disposés selon une répartition rectangulaire. Dans le dispositif thermo électrique, des liaisons électriques sont établies entre les nappes 6 d'éléments thermo électriques. Un connecteur électrique, non représenté, permet de relier le dispositif à un circuit électrique extérieur. Les ailettes métalliques 5 sont disposées par paire de sorte qu'une première ailette métallique 5 d'une paire relie thermiquement une première nappe 6 en relation thermique avec un premier tube chaud 8 et qu'une deuxième ailette métallique 5 de la même paire relie thermiquement une nappe 6 en relation d'échange thermique avec un deuxième tube chaud 8, adjacent au premier tube chaud. Le module thermo électrique 10 comprend des premiers 11 et des deuxièmes 12 moyens de connexions électrique, notamment des pistes électriques, reliant électriquement les éléments thermo électriques 3n, 3p appliqués sur un même tube chaud 8. Les premiers moyens de connexion électrique 11 sont, notamment, en Nickel, les deuxièmes moyens de connexion électrique 12 sont, par exemple, en Cuivre. En particulier, les éléments thermo électriques de type P et les éléments thermo électriques de type N, prévus entre un même tube de circulation du premier fluide et un même tube de circulation du deuxième fluide, pourront être reliés entre eux de façon à permettre la circulation du courant en série d'un élément du premier type vers un élément du second type. Il est également possible de relier entre elles par des moyens de connexion électrique les faces de contact d'éléments thermo électriques de même types pour un montage en parallèle desdits éléments. Les éléments thermo électriques 3n, 3p ainsi associés forment une cellule de conduction de base et les cellules obtenues pourront être associées en série et/ou en parallèle. Ici, les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N. Ils sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un élément thermo électrique de type P et d'un élément thermo électrique de type N. On configure ici le module thermo électrique 10 pour permettre une circulation de courant entre les premières faces de contact 4a des éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les deuxièmes faces de contact 3b de chacun des éléments thermo électriques de deux paires voisines. Autrement dit, le courant circule en série à travers les éléments thermo électriques en passant alternativement d'un élément thermo électrique de type P à un élément thermo électrique de type N. Pour cela, les premiers moyens de connexion électrique 11 relient les premières faces de contact 3a des éléments thermo électriques d'une même paire et les deuxièmes moyens de connexion électrique relient les deuxièmes faces de contact 3b de chacun des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines afin de permettre la circulation de courant décrite précédemment. Dans l'exemple illustré à la figure 1, les paires d'éléments thermo électriques sont situés dans la largeur des tubes chauds 8 de sorte que deux paires adjacentes d'éléments thermo électriques 3n, 3p sont voisines selon la longueur des tubes chauds 8. Dans cet exemple, les premiers moyens de connexion électrique 11 s'étendent perpendiculairement aux deuxièmes moyens de connexion électrique 12.

Dans l'exemple illustré aux figures 2 à 5, les paires d'éléments thermo électriques sont situés les unes à la suite des autres de sorte que deux paires adjacentes d'éléments thermo électriques 3n, 3p sont alignées selon une même direction, notamment, la longueur des tubes chauds 8. Dans cet exemple, les premiers moyens de connexion électrique 11 s'étendent parallèlement aux deuxièmes moyens de connexion électrique 12. Selon le procédé de fabrication du module thermo électrique 10 de l'invention tel que l'exemple de module décrit plus haut : - on effectue un brasage des éléments thermo électriques 3n, 3p au niveau de leur première face de contact 4a aux premiers moyens de connexion électrique 11, le brasage s'effectuant à une première température, dite chaude, comme représenté sur la figure 2, - on brase ensuite les éléments thermo électriques 3n, 3p au niveau de leur deuxième face de contact 4b aux deuxièmes moyens de connexion électrique 12, le brasage s'effectuant à une deuxième température, dite froide, inférieure à la température chaude, comme représenté sur la figure 3. La température chaude est, par exemple, supérieure à 500°C et la température froide est, notamment, inférieure à 300 °C.

Sur ces figures, on brase les éléments thermo électriques 3n, 3p au niveau de leur première face de contact 11 par paire de sorte que chaque paire est connectée électriquement par un des premiers moyens de connexion électrique 11 et on effectue le brasage des éléments thermo électriques 3n, 3p au niveau de leur deuxième face de contact 4b de sorte que chacun des deuxièmes moyens de connexion électrique 12 relie électriquement deux paires d'éléments thermo électriques 3n, 3p. Afin de braser les premiers moyens de connexion électrique 11 aux éléments thermo électrique 3n, 3p, on utilise un premier matériau de brasage 30 haute température, par exemple un alliage d'Aluminium et de Silicium. Afin de braser les deuxièmes moyens de connexion électrique 12 aux éléments thermo électrique 3n, 3p, on utilise un deuxième matériau de brasage 31 basse température, par exemple un alliage d'Etain et d'Argent. Le premier matériau de brasage 30 est choisi présentant une température de brasage supérieure à celle des parois des tubes chauds 8 chauffées par le fluide chaud. La température de brasage du deuxième matériau de brasage 31 est inférieure à la température de brasage du premier matériau de brasage 30.

Comme plus particulièrement illustré aux figures 2 et 3, à la suite du brasage des premiers et deuxièmes moyens de connexion électrique 11, 12 aux éléments thermo électriques 3n, 3p, on assemble, par exemple par compression, les tubes chauds 8 aux premiers moyens de connexion électrique 11. On peut assembler les ailettes métalliques 5 aux deuxièmes moyens de connexions électriques 12, également par compression, par exemple de manière simultanée à l'assemblage des tubes chauds 8 aux premiers moyens de connexion. Selon une variante de réalisation illustrée à la figure 4, on assemble les premiers moyens de connexion électrique 11 aux tubes chauds 8, préalablement au brasage des premiers moyens de connexion électrique 11 aux éléments thermo électriques 3n, 3p. Les premiers moyens de connexions électrique 11 sont, par exemple, pulvérisés à chaud sur les tubes chauds 8, notamment à l'aide d'une torche plasma.

L'assemblage des ailettes métalliques 5 aux deuxièmes moyens de connexion électrique 12 se fait, par exemple, par compression. L'invention prévoit aussi d'assembler les tubes froids 9 directement aux éléments thermo électriques 3n, 3p par l'intermédiaire des deuxièmes moyens de connexion électrique 12. Cet assemblage ne présente donc pas d'ailette métallique 5 et les tubes froids 9 sont, dans ce cas, similaires aux tubes chauds 8, disposés parallèlement à ces derniers et assemblés aux éléments thermo électriques 3n, 3p de la même manière que les tubes chauds 8.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un module thermo électrique (10) comprenant une pluralité d'éléments thermo électriques (3n, 3p), susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites première et deuxième faces de contact (4a, 4b), procédé dans lequel : - on effectue un brasage des éléments thermo électriques (3n, 3p) au niveau de leur première face de contact (4a) à des premiers moyens de connexion électrique (11), le brasage s'effectuant à une première température, dite chaude, - on brase ensuite les éléments thermo électriques (3n, 3p) au niveau de leur deuxième face de contact (4b) à des deuxièmes moyens de connexion électrique (12), le brasage s'effectuant à une deuxième température, dite froide, inférieure à la température chaude.
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la température chaude est supérieure à 500°C.
3. 3. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température froide est inférieure à 300°C.
4. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premiers moyens de connexion électrique (11) sont en Nickel.
5. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deuxièmes moyens de connexion électrique (12) sont en Cuivre.
6. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on assemble les premiers moyens de connexion électrique (11) à des tubes, dits tubes chauds (8), comprenant des parois et dans lesquels un fluide chaud est destiné à circuler, préalablement au brasage des premiers moyens de connexion électrique (11) aux éléments thermo électriques (3n, 3p).
7. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel les tubes chauds (8) sont en acier inoxydable.
8. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 6 ou 7, dans lequel on choisit pour le brasage entre les éléments thermo électriques (3n, 3p) et les premiers moyens de connexion électrique (11) un matériau de brasage, dit premier matériau de brasage (30), dont la température de brasage est supérieure à celle des parois chauffées par le fluide chaud.
9. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel le premier matériau de brasage (30) est un alliage d'Aluminium et de Silicium.
10. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on choisit pour le brasage entre les éléments thermo électriques (3n, 3p) et les deuxièmes moyens de connexion électrique (12) un matériau de brasage, dit deuxième matériau de brasage (31), dont la température de brasage est inférieure à celle du premier matériau de brasage (30).
11. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel le deuxième matériau de brasage (31) est un alliage d'Etain et d'Argent.
12. 12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on assemble des moyens de conduction thermique (5) aux deuxièmes moyens de connexion électrique (12) par compression.
13. 13. Module thermo électrique (10) obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes.