FR3116154A1 - Echangeur thermique et procédé de fabrication associé - Google Patents

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TANGHE Alcina
Georges De Pelsemaeker
Joël DUFOURCQ
Hilaire Ihou Mouko
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Abstract

Echangeur thermique et procédé de fabrication associé Echangeur thermique (1) comprenant :- un premier (3a) et un deuxième (3b) conduits métalliques configurés pour recevoir respectivement un premier et un deuxième fluides caloporteurs,- une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur le premier (3a) et le deuxième (3b) conduits métalliques,- un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (4a) et la deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement,- un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N brasés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,dans lequel les ensembles (5a, 5b) de pistes métalliques conductrices sont configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Echangeur thermique et procédé de fabrication associé
La présente invention concerne le domaine des échangeurs thermiques comprenant des éléments thermoélectriques permettant notamment d’effectuer un pompage thermique et de créer un gradient de température entre deux de leurs faces opposées lorsqu’ils sont alimentés par un courant électrique selon le phénomène connu sous le nom d’effet Peltier.
De tels échangeurs thermiques peuvent être utilisés dans de nombreuses applications et notamment dans des dispositifs de régulation thermique de véhicules automobiles pour améliorer le confort des passagers en produisant une adaptation rapide de la température de l’habitacle.
Pour cela, les échangeurs thermiques de l’état de la technique comprennent généralement des modules thermoélectriques comprenant des substrats en céramique sur lesquels sont déposées des pistes métalliques. Des plots thermoélectriques sont alors brasés sur les pistes métalliques.
Cependant, les substrats céramiques doivent avoir des propriétés électriques isolantes et thermiques conductrices. Un exemple d’une telle céramique est le nitrure d’aluminium (AlN) mais ces céramiques sont très coûteuses. Une autre alternative courante est l’oxyde d’aluminium (ou alumine, Al2O3) moins chère mais aussi moins performante du point de vue thermique.
Par ailleurs, l’échangeur thermique comprend par exemple un premier conduit dans lequel circule un premier fluide configuré pour évacuer l’excédent de chaleur, et un deuxième conduit dans lequel circule un deuxième fluide dont on souhaite réguler la température, le module thermoélectrique étant disposé entre le premier et le deuxième conduit. Pour assurer la conduction thermique entre le module thermoélectrique et les conduits de circulation de fluide caloporteur de l’échangeur thermique, on utilise une pâte thermique. Or, cette pâte thermique peut être difficile à appliquer correctement de sorte que, d’une part, le procédé de fabrication peut être complexe et, d’autre part, des pertes thermiques peuvent se produire au niveau de la pâte thermique laquelle sèche et perd une partie de ses propriétés de conducteur thermique.
La présente invention vise donc à résoudre au moins partiellement les problèmes de l’état de la technique et à proposer une solution pour réduire les coûts et faciliter la fabrication des échangeurs thermiques.
A cet effet, la présente invention concerne un échangeur thermique comprenant :
- un premier et un deuxième conduits métalliques configurés pour recevoir respectivement un premier et un deuxième fluides caloporteurs,
- une première et une deuxième couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur le premier et le deuxième conduits métalliques,
- un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première et la deuxième couches minces isolantes électriquement,
- un ensemble de plots thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type P et de type N brasés entre le premier et le deuxième ensemble de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques conductrices sont configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N.
Selon un autre aspect de la présente invention, les pistes métalliques conductrices sont configurées pour relier selon une combinaison série/parallèle l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N.
Selon un autre aspect de la présente invention, les conduits métalliques sont réalisés en aluminium ou en cuivre.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches minces isolantes ont une épaisseur inférieure à 200µm, préférentiellement inférieure à100μm, et idéalement comprise notamment entre 30μm et 50μm.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches minces isolantes sont réalisées :
- en matériau céramique ou,
- en matériau polymère ou,
- en verre ou,
- en matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches minces isolantes sont réalisées en alumine Al2O3.
Selon un autre aspect de la présente invention, les ensembles de pistes métalliques conductrices sont réalisés en cuivre et présentent une épaisseur comprise entre 30 et 300μm, notamment 200μm.
Selon un autre aspect de la présente invention, le premier conduit métallique est configuré pour recevoir un liquide et le deuxième conduit métallique comprend des ailettes et est configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air, les plots thermoélectriques étant configurés pour conditionner la température du gaz circulant dans le deuxième conduit métallique.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un échangeur thermique comprenant un premier conduit de circulation d’un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit de circulation d’un deuxième fluide caloporteur entre lesquels sont disposés des plots thermoélectriques, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on fournit un premier conduit de circulation configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit de circulation configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur,
- on dispose une première et une deuxième couches minces isolantes électriquement respectivement sur le premier et le deuxième conduits de circulation,
- on dispose un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices respectivement sur la première et la deuxième couches minces isolantes électriquement,
- on assemble par brasage un ensemble de plots thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type P et de type N entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices, les pistes métalliques conductrices étant configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N.
Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé de fabrication comprend également une étape de nettoyage du premier et du deuxième conduits de circulation avant la disposition des couches minces isolantes.
Selon un autre aspect de la présente invention, la disposition des couches minces isolantes électriquement est réalisée par un procédé de projection par torche à plasma.
Selon un autre aspect de la présente invention, les ensembles de pistes métalliques conductrices sont déposés sur couches minces isolantes électriquement par pulvérisation cathodique à travers un masque.
Selon un autre aspect de la présente invention, les ensembles de pistes métalliques conductrices sont formés par un dépôt sur les couches minces isolantes électriquement par pulvérisation cathodique ou par projection par torche à plasma suivie d’une gravure chimique ou laser localisée pour former les ensembles de pistes métalliques conductrices.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
représente une vue schématique d’un échangeur thermique ;
représente un organigramme des étapes d’un procédé de fabrication d’un échangeur thermique ;
représente une vue schématique d’un premier conduit métallique comprenant une couche mince isolante électriquement ;
représente une vue schématique d’un deuxième conduit métallique comprenant une couche mince isolante électriquement ;
représente une vue schématique d’une couche métallique disposée sur la couche mince isolante électriquement de la ;
représente une vue schématique d’une couche métallique disposée sur la couche mince isolante électriquement de la ;
représente une vue schématique d’un ensemble de pistes ménagé dans la couche métallique de la ;
représente une vue schématique d’un ensemble de pistes ménagé dans la couche métallique de la ;
représente une vue schématique d’une pâte à braser déposée localement sur l’ensemble de pistes de la ;
représente une vue schématique d’une pâte à braser déposée localement sur l’ensemble de pistes de la ;
représente une vue schématique de plots thermoélectriques déposés sur des dépôts locaux de pâte à braser de la ;
Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
Dans la description, certains éléments peuvent être indexés, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et de telles dénominations peuvent être aisément interchangées sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.
La représente un exemple de réalisation d’un échangeur thermique selon la présente invention.
L’échangeur thermique 1 comprend un premier conduit métallique 3a configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit métallique 3b configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
Les conduits métalliques 3a, 3b sont par exemple réalisés en aluminium ou en cuivre. Les conduits métalliques 3a, 3b ont par exemple une forme tubulaire dont la section est par exemple de forme carré ou rectangulaire. Cependant, d’autres formes de section partiellement ou totalement arrondies peuvent également être utilisées.
Les fluides caloporteurs peuvent être des liquides ou des gaz (un des fluides caloporteurs peut être un gaz et l’autre un liquide). Dans le cas d’un gaz, par exemple de l’air que l’on veut réguler thermiquement, le conduit métallique 3a, 3b peut comprendre des ailettes de perturbation du flux de gaz de manière à maximiser les échanges thermiques.
L’échangeur thermique 1 comprend également une première couche mince isolante électriquement 4a disposée sur le premier conduit métallique 3a et une deuxième couche mince isolante électriquement 4b disposée sur la deuxième conduit métallique 3b. Par mince, on entend ici que la couche mince à une épaisseur inférieure à 200µm, préférentiellement inférieure à 100μm, et idéalement comprise notamment entre 30μm et 50μm. Les couches minces isolantes sont par exemple disposées sur une face ou une portion des conduits métalliques 3a, 3b destinée à recevoir un ou plusieurs plots thermoélectriques 7.
Les couches minces isolantes 4a, 4b sont par exemple réalisées en matériau céramique ou en matériau polymère ou en verre ou en matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre. Les couches minces isolantes peuvent notamment être réalisées en alumine Al2O3.
L’échangeur thermique 1 comprend également un premier ensemble de pistes métalliques conductrices 5a disposé sur la première couche mince isolante électriquement 4a et un deuxième ensemble de pistes métalliques conductrices 5b disposé sur la deuxième couche mince isolante électriquement 4b.
Les pistes métalliques 5a, 5b sont par exemple réalisées en cuivre. L’épaisseur des pistes métalliques 5a, 5b peut être comprise entre 30 et 300μm, par exemple 200μm.
L’échangeur thermique 1 comprend également un ensemble de plots thermoélectriques 7 en matériau semi-conducteur. Alternativement, un seul plot thermoélectrique 7 peut être utilisé. Dans le cas présent, certains plots thermoélectriques 7 en matériau semi-conducteur sont de type P et d’autres sont de type N.
En option, l’extrémité des plots thermoélectrique en matériau semi-conducteur peuvent être revêtues d’une ou plusieurs couches minces d’accroche en métal ou en alliages métalliques afin de faciliter l’accroche du joint de brasure.
Ces plots thermoélectriques 7 sont brasés entre le premier ensemble de pistes métalliques conductrices 5a et le deuxième ensemble de pistes métalliques conductrices 5b. Le brasage est par exemple réalisé en utilisant de la pâte à braser 6 disposée sur le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b au niveau de l’emplacement des plots thermoélectriques 7.
La disposition des plots thermoélectriques 7 et des ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b est telle que les pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques 7 avec une alternance de plots de type P et de type N.
La valeur du courant (et donc son sens) peut être ajustée pour créer un gradient de température dans un sens ou dans l’autre. Par exemple si le premier conduit métallique 3a est configuré pour transporter un liquide de refroidissement et le deuxième conduit métallique 3b est configuré pour transporter un flux d’air dont on souhaite réguler la température, les plots thermoélectriques 7 peuvent être alimentés de manière à refroidir le flux d’air, la chaleur étant alors évacuée par la circulation du liquide de refroidissement. Le sens du courant peut être inversé de manière à réchauffer le flux d’air (dans ce cas la circulation du liquide de refroidissement peut être stoppée). Un tel échangeur thermique 1 peut notamment être utilisé dans le domaine automobile pour fournir une adaptation thermique rapide d’un flux d’air. Dans ce cas, le liquide de refroidissement pourra être de l’eau glycolée ayant une température comprise entre 0°C et 40°C, notamment inférieure à 10°C et un débit compris entre 1 et 15L/h.
Ainsi, l’échangeur thermique 1 comprend un module thermoélectrique réalisé directement sur les conduits métalliques 3a, 3b transportant les fluides caloporteur de manière à limiter au maximum les pertes thermiques entre les plots thermoélectriques 7 et les fluides caloporteurs. Une telle conception permet également de limiter ou de se passer d’éléments coûteux dans la fabrication de l’échangeur thermique 1.
La représente un organigramme des étapes d’un procédé de fabrication d’un échangeur thermique 1 tel que décrit précédemment.
La première étape 101 concerne la fourniture d’un premier conduit métallique 3a configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur, par exemple un liquide de refroidissement et un deuxième conduit métallique 3b configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, par exemple de l’air. Ces conduits métalliques 3a, 3b sont par exemple en aluminium ou en cuivre. Différents types de sections peuvent être utilisés pour les conduits métalliques 3a, 3b comme une section circulaire, carrée ou rectangulaire.
La deuxième étape 102 concerne la préparation des conduits métalliques 3a, 3b et notamment des surfaces destinées à recevoir une couche mince isolante électriquement 4a, 4b (cf.étape suivante). Cette préparation correspond par exemple au dégraissage et au nettoyage de ces surfaces pour permettre une bonne adhésion de la couche mince isolante électriquement 4a, 4b.
La troisième étape 103 concerne le dépôt d’une première couche mince isolante électriquement 4a sur au moins une partie de la surface externe du premier conduit métallique 3a comme représenté sur la . L’épaisseur de la première couche mince isolante est inférieure à 200µm, préférentiellement inférieure à100μm, par exemple comprise entre 30μm et 50μm. La couche mince isolante est par exemple de l’alumine Al2O3 et peut être déposée par un procédé de torche à plasma. D’autres matériaux comme par exemple un matériau céramique ou un matériau polymère ou du verre ou un matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre peuvent également être utilisés. D’autres procédés de dépôt connus de l’état de la technique peuvent également être utilisés, par exemple la lamination ou le collage de la couche isolante.
La troisième étape 103 concerne également le dépôt d’une deuxième couche mince isolante électriquement 4b sur au moins une partie de la surface externe du deuxième conduit métallique 3b comme représenté sur la . Les caractéristiques de la deuxième couche mince isolante électriquement 4b peuvent être les mêmes que la première couche isolante électriquement 4a et le procédé de dépôt peut également être le même.
La quatrième étape 104 concerne le dépôt d’une première couche métallique conductrice 50a sur la première couche mince isolante électriquement 4a comme représenté sur la . La première couche métallique conductrice 50a est par exemple réalisée en cuivre. D’autres métaux peuvent également être utilisés. L’épaisseur de la première couche métallique conductrice 50a est par exemple comprise entre 30 et 300μm, notamment 200μm. Le dépôt de la première couche métallique conductrice 4a est par exemple réalisé par pulvérisation cathodique. D’autres procédés de dépôt connus de l’état de la technique peuvent également être utilisés, par exemple la projection par torche plasma.
La quatrième étape 104 concerne également le dépôt d’une deuxième couche métallique conductrice 50b sur la deuxième couche mince isolante électriquement 4b comme représenté sur la . Les caractéristiques de la deuxième couche métallique conductrice 50b peuvent être les mêmes que la première couche métallique conductrice 50a et le procédé de dépôt peut également être le même.
La cinquième étape 105 concerne la formation d’un premier ensemble de pistes métalliques conductrices 5a comme représenté sur la . Ce premier ensemble de piste métalliques conductrices 5a peut être obtenu par gravure de la première couche métallique conductrice 50a de manière à laisser cette première couche métallique conductrice 50a seulement sur les emplacements des pistes métalliques conductrices 5a. La gravure peut être une gravure chimique ou une gravure par laser.
La cinquième étape 105 concerne également la formation d’un deuxième ensemble de pistes métalliques conductrices 5b comme représenté sur la . Ce deuxième ensemble peut également être obtenu par un procédé de gravure chimique ou laser de la deuxième couche métallique conductrice 50b.
Alternativement, les étapes 104 et 105 peuvent être remplacées par une étape unique dans laquelle les ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont déposés respectivement sur les première et deuxième couches minces isolantes électriquement 4a et 4b par pulvérisation cathodique à travers un masque.
La sixième étape 106 concerne le dépôt de pâte à braser 6 sur les emplacements du premier ensemble de pistes métalliques conductrices 5a destinés à recevoir un plot thermoélectrique 7 comme représenté sur la .
La sixième étape 106 concerne également le dépôt de pâte à braser 6 sur les emplacements du deuxième ensemble de pistes métalliques conductrices 5b destinés à recevoir un plot thermoélectrique 7 comme représenté sur la .
La septième étape 107 concerne le positionnement d’une première extrémité des plots thermoélectriques 7 sur les emplacements du premier ensemble de pistes métalliques 5a comprenant de la pâte à braser comme représenté sur la . La septième étape 107 comprend également le brasage de la première extrémité des plots thermoélectriques 7 sur le premier ensemble de pistes métalliques 5a.
La huitième étape 108 concerne le positionnement de la deuxième extrémité des plots thermoélectriques 7 sur les emplacements du deuxième ensemble de pistes métalliques 5b comprenant de la pâte à braser.
La huitième étape 108 concerne également le brasage de la deuxième extrémité des plots thermoélectriques 7 sur le deuxième ensemble de pistes métalliques 5b.
La neuvième étape 109 concerne le soudage des fils d’alimentation 11 sur les pistes électriques 5a et/ou 5b. La représente l’échangeur thermique 1 obtenu à l’issue de l’étape 109.
Ainsi, un tel procédé de fabrication permet d’obtenir un échangeur thermique 1 ayant un coût de fabrication réduit du fait de l’absence du substrat céramiques coûteux pour réaliser le module thermoélectrique. Cela permet également de réduire le nombre et l’épaisseur des couches intermédiaires entre les conduits métalliques 3a, 3b et les plots thermoélectriques 7 et de se passer de pâte thermique ce qui permet d’optimiser l’efficacité de l’échangeur thermique 1.
De plus, les étapes du procédé de fabrication sont relativement simples à mettre en œuvre au niveau industriel ce qui permet d’envisager une production en grand nombre et ainsi réduire encore les coûts de fabrication ce qui peut apparaître comme particulièrement intéressant notamment pour des applications dans le domaine automobile.

Claims (12)

  1. Echangeur thermique (1) comprenant :
    - un premier (3a) et un deuxième (3b) conduits métalliques configurés pour recevoir respectivement un premier et un deuxième fluides caloporteurs,
    - une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur le premier (3a) et le deuxième (3b) conduits métalliques,
    - un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (4a) et la deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement,
    - un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N brasés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,
    dans lequel les ensembles (5a, 5b) de pistes métalliques conductrices sont configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N.
  2. Echangeur thermique (1) selon la revendication 1 dans lequel les conduits métalliques (3a, 3b) sont réalisés en aluminium ou en cuivre.
  3. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les couches minces isolantes (4a, 4b) ont une épaisseur inférieure à 200µm, préférentiellement inférieure à 100μm, et idéalement comprise notamment entre 30μm et 50μm.
  4. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les couches minces isolantes (4a, 4b) sont réalisées :
    - en matériau céramique ou,
    - en matériau polymère ou,
    - en verre ou,
    - en matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre.
  5. Echangeur thermique (1) selon la revendication précédente dans lequel les couches minces isolantes (4a, 4b) sont réalisées en alumine Al2O3.
  6. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les ensembles (5a, 5b) de pistes métalliques conductrices sont réalisés en cuivre et présentent une épaisseur comprise entre 30 et 300μm, notamment une épaisseur de 200μm.
  7. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier conduit métallique (3a) est configuré pour recevoir un liquide et le deuxième conduit métallique (3b) comprend des ailettes et est configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air, les plots thermoélectriques (7) étant configurés pour conditionner la température du gaz circulant dans le deuxième conduit métallique (3b).
  8. Procédé de fabrication d’un échangeur thermique (1) comprenant un premier conduit de circulation (3a) d’un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit de circulation (3b) d’un deuxième fluide caloporteur entre lesquels sont disposés des plots thermoélectriques (7), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    - on fournit un premier conduit de circulation (3a) configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit de circulation (3b) configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
    - on dispose une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement respectivement sur le premier (3a) et le deuxième (3b) conduits de circulation,
    - on dispose un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices respectivement sur la première (4a) et la deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement,
    - on assemble par brasage un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices, les pistes métalliques conductrices (5a, 5b) étant configurées pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N.
  9. Procédé de fabrication selon la revendication précédente comprenant également une étape de nettoyage du premier (3a) et du deuxième (3b) conduits de circulation avant la disposition des couches minces isolantes (4a, 4b).
  10. Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9 dans lequel la disposition des couches minces isolantes (4a, 4b) électriquement est réalisée par un procédé de torche à plasma.
  11. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 8 à 10 dans lequel les ensembles de pistes métalliques conductrices (5a, 5b) sont déposés sur couches minces isolantes électriquement (4a, 4b) par pulvérisation cathodique à travers un masque.
  12. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 8 à 10 dans lequel les ensembles de pistes métalliques conductrices (5a, 5b) sont formés par un dépôt sur les couches minces isolantes électriquement (4a, 4b) par pulvérisation cathodique suivi d’une gravure chimique ou laser localisée pour former les ensembles de pistes métalliques conductrices (5a, 5b).
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