FR3116155A1 - Thermoelectric module, heat exchanger and associated manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Module thermoélectrique, échangeur thermique et procédé de fabrication associé La présente invention concerne un module thermoélectrique (1) comprenant :- une première (3a) et une deuxième (3b) couches métalliques supports,- une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur une face de la première (3a) et de la deuxième (3b) couches métalliques supports,- 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 disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,dans lequel les ensembles de pistes (5a, 5b) sont configurés 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.2Thermoelectric module, heat exchanger and associated manufacturing method The present invention relates to a thermoelectric module (1) comprising:- a first (3a) and a second (3b) metallic support layers,- a first (4a) and a second thin electrically insulating layers arranged respectively on one face of the first (3a) and the second (3b) metallic support layers, - a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metallic tracks arranged respectively on the first (4a ) and the second (4b) electrically insulating thin layers, - a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first (5a) and the second (5b) sets of metal tracks conductors, wherein the sets of tracks (5a, 5b) are configured to serially connect the set of thermoelectric pads (7) with alternating P-type and N-type pads. Figure for abstract: Fig .2
Description
La présente invention concerne le domaine des modules thermoélectriques 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.The present invention relates to the field of thermoelectric modules comprising thermoelectric elements making it possible in particular to perform heat pumping and to create a temperature gradient between two of their opposite faces when they are powered by an electric current according to the phenomenon known as Peltier effect.
De tels modules thermoélectriques 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.Such thermoelectric modules can be used in many applications and in particular in motor vehicle thermal regulation devices to improve passenger comfort by producing rapid adaptation of the temperature of the passenger compartment.
Pour cela, les modules thermoélectriques de l’état de la technique comprennent généralement des substrats en céramique sur lesquels sont déposées des pistes métalliques. Des plots thermoélectriques sont alors brasés sur les pistes métalliques.For this, the thermoelectric modules of the state of the art generally comprise ceramic substrates on which metal tracks are deposited. Thermoelectric pads are then soldered to the metal tracks.
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.However, ceramic substrates must have electrically insulating and thermally conductive properties. An example of such a ceramic is aluminum nitride (AlN) but these ceramics are very expensive. Another common alternative is aluminum oxide (or alumina, Al 2 O 3 ) which is less expensive but also less efficient from a thermal point of view.
Par ailleurs, dans le cas d’une intégration dans un échangeur thermique comprenant par une 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 est disposé entre le premier et le deuxième conduit en utilisant une pâte thermique pour réaliser la liaison entre le module thermoélectrique et les conduits de l’échangeur 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.Furthermore, in the case of integration in a heat exchanger comprising, for example, a first conduit in which circulates a first fluid configured to evacuate the excess heat and a second conduit in which circulates a second fluid for which it is desired to regulate the temperature, the thermoelectric module is placed between the first and the second duct using a thermal paste to make the connection between the thermoelectric module and the ducts of the heat exchanger. However, this thermal paste can be difficult to apply correctly so that on the one hand the manufacturing process can be complex and on the other hand thermal losses can occur at the level of the thermal paste.
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 de fabrication des modules thermoélectriques et faciliter leur procédé de fabrication notamment pour une utilisation dans un échangeur thermique.The present invention therefore aims to at least partially solve the problems of the state of the art and to propose a solution for reducing the manufacturing costs of thermoelectric modules and facilitating their manufacturing process, in particular for use in a heat exchanger.
A cet effet, la présente invention concerne un module thermoélectrique comprenant :
- une première et une deuxième couches métalliques supports,
- une première et une deuxième couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur une face de la première et de la deuxième couches métalliques supports,
- 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 disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N.To this end, the present invention relates to a thermoelectric module comprising:
- a first and a second metal support layers,
- a first and a second thin electrically insulating layers arranged respectively on one side of the first and second metal support layers,
- a first and a second set of conductive metal tracks arranged respectively on the first and the second electrically insulating thin layers,
- a set of thermoelectric pads made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first and the second sets of conductive metal tracks,
wherein the sets of tracks are configured to serially connect the set of thermoelectric pads with alternating P-type and N-type pads.
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.According to another aspect of the present invention, the conductive metal tracks are configured to connect according to a series/parallel combination the set of thermoelectric pads with alternating P-type and N-type pads.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches métalliques supports sont réalisées en aluminium, notamment de l’aluminium des séries 5050 ou 6060.According to another aspect of the present invention, the metal support layers are made of aluminum, in particular aluminum of the 5050 or 6060 series.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches métalliques supports sont réalisées en cuivre.According to another aspect of the present invention, the metal support layers are made of copper.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches minces isolantes électriquement ont une épaisseur inférieure à 100μm, notamment entre 30μm et 50μm.According to another aspect of the present invention, the electrically insulating thin layers have a thickness of less than 100 μm, in particular between 30 μm and 50 μm.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches minces isolantes électriquement sont réalisées en matériau céramique et en matériau polymère ou en verre ou en matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre.According to another aspect of the present invention, the electrically insulating thin layers are made of ceramic material and of polymer material or of glass or of polymer material loaded with ceramic or glass microbeads or microfibers.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches métalliques support présentent une épaisseur supérieure à 0,8mm.According to another aspect of the present invention, the metal support layers have a thickness greater than 0.8 mm.
La présente invention concerne également un échangeur thermique comprenant :
- un module thermoélectrique,
- un premier conduit en contact avec la première couche métallique support et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit en contact avec la deuxième couche métallique support et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.The present invention also relates to a heat exchanger comprising:
- a thermoelectric module,
- a first conduit in contact with the first metal support layer and configured to receive a first heat transfer fluid,
- A second conduit in contact with the second metal support layer and configured to receive a second heat transfer fluid.
Selon un autre aspect de la présente invention, le premier conduit est formé par un premier capot en matériau polymère fixé de manière étanche à la première couche métallique support, ledit premier conduit étant configuré pour recevoir un liquide de refroidissement.According to another aspect of the present invention, the first conduit is formed by a first cover made of polymer material fixed in leaktight manner to the first metal support layer, said first conduit being configured to receive a cooling liquid.
Selon un autre aspect de la présente invention, des ailettes métalliques sont fixées sur la deuxième couche métallique support et un deuxième capot est configuré pour venir se fixer sur le module thermoélectrique pour former le deuxième conduit, ledit deuxième conduit étant configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air.According to another aspect of the present invention, metal fins are fixed to the second metal support layer and a second cover is configured to be fixed to the thermoelectric module to form the second conduit, said second conduit being configured to receive a gas, especially air.
Selon un autre aspect de la présente invention, les ailettes métalliques sont soudées ou collées ou brasées sur la deuxième couche métallique support et dans lequel le deuxième capot est clipsé ou collé ou soudé sur le module thermoélectrique.According to another aspect of the present invention, the metal fins are welded or glued or brazed onto the second metal support layer and in which the second cover is clipped or glued or welded onto the thermoelectric module.
Par le terme ailettes on désigne plus largement des feuilles réalisées en matériaux métallique (par exemple, sous forme d’une ou plusieurs couches d’aluminium, dont la surface comprend, en option, un revêtement) pliées selon un motif particulier. Les ailettes sont par exemple droites, avec des persiennes. Ce motif est solidarisé à une surface généralement plane par des liaisons thermiquement conductrices (généralement des brasures) de manière à fortement développer la surface de ladite surface plane pour en améliorer les propriétés d’échange thermique. Le terme technique ailette couvre également des assemblages d’ailettes brasées sur des surfaces planes pour lesquels la température de brasage est par exemple de 620°C pour des ailettes d’aluminium sur plaque d’aluminium.By the term fins is meant more broadly sheets made of metallic materials (for example, in the form of one or more layers of aluminum, the surface of which optionally comprises a coating) bent in a particular pattern. The fins are for example straight, with louvres. This pattern is secured to a generally flat surface by thermally conductive connections (generally solders) so as to greatly develop the surface of said flat surface to improve its heat exchange properties. The technical term fin also covers assemblies of fins brazed on flat surfaces for which the brazing temperature is for example 620°C for aluminum fins on an aluminum plate.
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un module thermoélectrique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on dépose une première et une deuxième couches minces isolantes électriquement respectivement sur une première et une deuxième couches métalliques supports, par exemple en aluminium ou en cuivre,
- on dispose un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices respectivement sur la première et la deuxième couches minces isolantes électriquement,
- on dispose 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, lesdites 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.The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric module, said method comprising the following steps:
- a first and a second electrically insulating thin layer is deposited respectively on a first and a second metal support layer, for example aluminum or copper,
- a first and a second set of conductive metallic tracks are placed respectively on the first and the second electrically insulating thin layers,
- a set of thermoelectric pads made of P-type and N-type semiconductor material are arranged between the first and the second sets of conductive metal tracks, said conductive metal tracks being configured to connect the set of thermoelectric pads in series with a alternating P-type and N-type studs.
Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé de fabrication comprend un premier conduit de circulation d’un premier fluide caloporteur et un deuxième conduit de circulation d’un deuxième fluide caloporteur entre lesquels est disposé au moins un module thermoélectrique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on dépose une première et une deuxième couches minces isolantes électriquement respectivement sur une première et une deuxième couches métalliques supports, par exemple en aluminium ou en cuivre,
- on dispose un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices respectivement sur la première et la deuxième couches minces isolantes électriquement,
- on dispose 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, lesdites 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,
- on fixe un premier capot sur la première couche métallique support pour former le premier conduit de circulation,
- on fixe un deuxième capot sur la deuxième couche métallique support pour former le deuxième conduit de circulation.According to another aspect of the present invention, the manufacturing method comprises a first conduit for the circulation of a first heat transfer fluid and a second conduit for the circulation of a second heat transfer fluid between which is placed at least one thermoelectric module, said method comprising the following steps:
- a first and a second electrically insulating thin layer is deposited respectively on a first and a second metal support layer, for example aluminum or copper,
- a first and a second set of conductive metallic tracks are placed respectively on the first and the second electrically insulating thin layers,
- a set of thermoelectric pads made of P-type and N-type semiconductor material are arranged between the first and the second sets of conductive metal tracks, said conductive metal tracks being configured to connect the set of thermoelectric pads in series with a alternation of P-type and N-type pads,
- a first cover is fixed on the first metal support layer to form the first circulation duct,
- A second cover is fixed on the second metallic support layer to form the second circulation duct.
Selon un autre aspect de la présente invention, le premier et le deuxième capots entourent le module thermoélectrique et assurent le maintien des différents éléments du module thermoélectrique par verrouillage mécanique.According to another aspect of the present invention, the first and second covers surround the thermoelectric module and maintain the various elements of the thermoelectric module by mechanical locking.
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 :Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description, given by way of illustrative and non-limiting example, and the appended drawings, among which:
Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.In these figures, identical elements bear the same references.
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.The following achievements are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference is to the same embodiment, or that the features apply only to a single embodiment. Simple features of different embodiments can also be combined or interchanged to provide other embodiments.
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.In the description, some elements can be indexed, such as first element or second element. In this case, it is a simple indexing to differentiate and name elements that are close but not identical. This indexing does not imply a priority of one element over another and such denominations can be easily interchanged without departing from the scope of the present description. Nor does this indexing imply an order in time.
La présente invention concerne un module thermoélectrique. La
Une couche mince isolante électriquement 4a, 4b est disposée sur au moins une partie de chacune des couches métalliques supports 3a, 3b. Dans le cas présent, une face de chacune des couches métalliques supports 3a, 3b est recouverte d’une couche mince isolante électriquement 4a, 4b. La face correspond à la face qui sera située du côté des plots thermoélectriques 7 à l’état monté du module thermoélectrique 1. Les faces des couches métalliques supports sont destinés à être en regard l’une de l’autre à l’état monté du module thermoélectrique 1.A thin electrically insulating layer 4a, 4b is placed on at least a part of each of the metallic support layers 3a, 3b. In the present case, one face of each of the metal support layers 3a, 3b is covered with a thin electrically insulating layer 4a, 4b. The face corresponds to the face which will be located on the side of the thermoelectric pads 7 in the mounted state of the thermoelectric module 1. The faces of the metal support layers are intended to face each other in the mounted state of the thermoelectric module 1.
Par mince, on entend ici que les couches minces isolantes électriquement 4a, 4b ont une épaisseur inférieure à 100μm. L’épaisseur des couches minces isolantes électriquement 4a, 4b est par exemple comprise entre 30μm et 50μm, notamment 38μm.By thin, it is meant here that the electrically insulating thin layers 4a, 4b have a thickness of less than 100 μm. The thickness of the electrically insulating thin layers 4a, 4b is for example between 30 μm and 50 μm, in particular 38 μm.
Les couches minces isolantes électriquement 4a, 4b peuvent être réalisées en matériau céramique ou en matériau polymère ou en verre ou dans un mélange de ces matériaux. Un matériau polymère chargé en microbilles ou microfibres de céramique ou de verre peut notamment être utilisé. De manière préférentielle, les couches minces isolantes électriquement 4a, 4b sont réalisées en résine époxy. Les couches minces sont choisies de manière à ce que leur résistance thermique soit suffisamment faible (conductivité thermique élevée) pour ne pas perturber le transfert de chaleur dans l’empilement des couches. Avantageusement, ces couches minces ont une résistance thermique inférieure à 1 (K.cm2)/W, notamment 0.13 (K.cm2)/W . Cette résistance thermique est exprimée dans la direction orthogonale au plan des couches considérées.Thin electrically insulating layers 4a, 4b can be made of ceramic material or of polymer material or of glass or of a mixture of these materials. A polymer material filled with ceramic or glass microbeads or microfibers can in particular be used. Preferably, the electrically insulating thin layers 4a, 4b are made of epoxy resin. The thin layers are chosen so that their thermal resistance is sufficiently low (high thermal conductivity) not to disturb the transfer of heat in the stack of layers. Advantageously, these thin layers have a thermal resistance of less than 1 (K.cm 2 )/W, in particular 0.13 (K.cm 2 )/W. This thermal resistance is expressed in the direction orthogonal to the plane of the layers considered.
L’ensemble composé par une couche métallique support 3a, 3b et une couche mince isolante électriquement 4a, 4b disposée sur la couche métallique support 3a, 3b forme un substrat métallique isolé aussi appelé « insulated metal substrate (IMS) » en anglais.The assembly composed of a metal support layer 3a, 3b and a thin electrically insulating layer 4a, 4b placed on the metal support layer 3a, 3b forms an insulated metal substrate also called “insulated metal substrate (IMS)” in English.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices notés 5a et 5b disposées respectivement sur la première et la deuxième couches minces isolantes électriquement 4a, 4b. Ces ensembles 5a, 5b sont par exemple réalisés en cuivre. Un traitement de surface peut également être appliqué sur le dépôt de cuivre. Des traitements de surface connus pour les pistes sont par exemple :
- Nickel-Or chimique (couramment désigné ENIG, acronyme anglais qui signifieElectroless Nickel Immersion Gold)
- Etamage à l’air chaud (également désigné sous l’acronyme anglais HASL qui signifieHot Air Solder Levelling)
- Etain chimique.The thermoelectric module 1 also comprises a first and a second set of conductive metal tracks denoted 5a and 5b arranged respectively on the first and the second electrically insulating thin layers 4a, 4b. These sets 5a, 5b are for example made of copper. A surface treatment can also be applied to the copper deposit. Known surface treatments for tracks are for example:
- Chemical Nickel-Gold (commonly referred to as ENIG, English acronym meaning Electroless Nickel Immersion Gold )
- Hot air tinning (also referred to by the acronym HASL which stands for Hot Air Solder Leveling )
- Chemical tin.
Les dépôts réalisés selon les techniques de traitement de surface précitées sont de quelques microns d’épaisseur, notamment de 7µm pour l’ENIG et de 10µm pour le HASL.The deposits made using the aforementioned surface treatment techniques are a few microns thick, in particular 7 μm for ENIG and 10 μm for HASL.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un ensemble de plots thermoélectriques 7 disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Certains plots thermoélectriques 7 nommés plots de type P sont réalisés en matériau semi-conducteur de type P et d’autres plots thermoélectriques 7 nommées plots de type N sont réalisés en matériau semi-conducteur de type N.The thermoelectric module 1 also comprises a set of thermoelectric pads 7 arranged between the first and the second sets of conductive metal tracks 5a, 5b. Some thermoelectric pads 7 called P-type pads are made of P-type semiconductor material and other thermoelectric pads 7 called N-type pads are made of N-type semiconductor material.
Les ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont configurés pour relier en série l’ensemble des plots thermoélectriques 7 avec une alternance de plots de type P et de type N. Le nombre de plots de type P est par exemple égal au nombre de plots de type N.The sets of conductive metal tracks 5a, 5b are configured to connect the set of thermoelectric pads 7 in series with alternating P-type and N-type pads. The number of P-type pads is for example equal to the number of pads N-type.
Le module thermoélectrique 1 peut également comprendre des fils de liaison 9 reliés à au moins un des ensembles de pistes métalliques et configurés pour être reliés à une unité de commande et d’alimentation (non représentée).The thermoelectric module 1 can also include connecting wires 9 connected to at least one of the sets of metal tracks and configured to be connected to a control and power supply unit (not shown).
Ainsi, l’utilisation de substrats métalliques isolés permet d’éviter l’utilisation de substrats céramiques coûteux ce qui permet de réduire le coût des modules thermoélectriques 1 tout en gardant un rendement thermique élevé. De tels modules thermoélectriques 1 peuvent être utilisés dans de nombreuses applications pour permettre notamment un contrôle thermique rapide, par exemple au niveau d’un équipement électronique tel qu’un microprocesseur pour contrôler sa température et limiter son échauffement, au sein d’un conduit pour contrôler la température de l’air circulant dans le conduit, dans un siège pour fournir un siège chauffant, au niveau d’un support de verre (aussi appelé « cupholder » en anglais) pour réguler la température d’un liquide à l’intérieur du verre.Thus, the use of insulated metal substrates makes it possible to avoid the use of expensive ceramic substrates, which makes it possible to reduce the cost of the thermoelectric modules 1 while maintaining a high thermal efficiency. Such thermoelectric modules 1 can be used in many applications to allow in particular rapid thermal control, for example at the level of electronic equipment such as a microprocessor to control its temperature and limit its heating, within a conduit for control the temperature of the air flowing through the duct, in a seat to provide a heated seat, at a cupholder (also called a cupholder) to regulate the temperature of a liquid inside glass.
La présente invention concerne également un échangeur thermique 10 comprenant au moins un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment. La
L’échangeur thermique 10 comprend un premier conduit 11a en contact avec la première couche métallique support 3a. Le premier conduit 11a est configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur, par exemple un liquide de refroidissement. Le premier conduit 11a est par exemple formé par un premier capot 13a en matériau polymère fixé de manière étanche à la première couche métallique support 3a. La fixation étanche est par exemple réalisée par un assemblage multi-matériaux, par exemple par micro-structuration de la couche métallique support 3a et fluage du premier capot 13a en polymère.The heat exchanger 10 comprises a first conduit 11a in contact with the first support metal layer 3a. The first conduit 11a is configured to receive a first heat transfer fluid, for example a cooling liquid. The first duct 11a is for example formed by a first cover 13a made of polymer material fixed in leaktight manner to the first metal support layer 3a. The tight fixing is for example carried out by a multi-material assembly, for example by micro-structuring of the metal support layer 3a and creep of the first cover 13a in polymer.
L’échangeur thermique 10 comprend également un deuxième conduit 11b en contact avec la deuxième couche métallique support 3b. Le deuxième conduit 11b est par exemple formé par un deuxième capot 13b qui vient se fixer sur le premier capot 13a, par verrouillage mécanique, par exemple par encliquetage. Alternativement le deuxième capot 13b peut être fixé par collage ou par soudage. Le deuxième capot 13b peut également être en matériau polymère. Le deuxième conduit 11b est par exemple configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, notamment de l’air dont la température doit être ajustée de sorte que l’étanchéité totale du conduit n’est pas nécessairement requise. Le deuxième conduit 11b peut comprendre des ailettes 15 de déviation du flux d’air afin de maximiser les échanges thermiques entre l’air circulant dans le deuxième conduit 11b et le module thermoélectrique 1. Les ailettes 15 peuvent être réalisées en métal, notamment en aluminium. Les ailettes 15 peuvent être fixées sur la face externe de la deuxième couche métallique support 3b par soudage, notamment par soudage par friction ou soudage par spots, par collage ou par brasage. Cependant, la température du procédé de brasage ne doit pas dépasser 240°C pour ne pas détériorer la couche mince isolante électriquement 4b déposée sur la couche métallique support 3b.The heat exchanger 10 also includes a second conduit 11b in contact with the second support metal layer 3b. The second conduit 11b is for example formed by a second cover 13b which is fixed on the first cover 13a, by mechanical locking, for example by snap-fastening. Alternatively the second cover 13b can be fixed by gluing or by welding. The second cover 13b can also be made of polymer material. The second conduit 11b is for example configured to receive a second heat transfer fluid, in particular air, the temperature of which must be adjusted so that the complete sealing of the conduit is not necessarily required. The second duct 11b may include fins 15 for deflecting the air flow in order to maximize heat exchange between the air flowing in the second duct 11b and the thermoelectric module 1. The fins 15 may be made of metal, in particular aluminum . The fins 15 can be fixed to the external face of the second metal support layer 3b by welding, in particular by friction welding or spot welding, by gluing or by brazing. However, the temperature of the brazing process must not exceed 240° C. so as not to damage the thin electrically insulating layer 4b deposited on the metallic support layer 3b.
Le deuxième conduit 11b peut correspondre à un conduit d’aération d’un véhicule automobile dont on veut contrôler la température de l’air, le premier conduit 11a étant alors configuré pour recevoir un liquide de refroidissement, par exemple de l’eau glycolée, pour évacuer la chaleur lorsque l’on veut refroidir la température de l’air du deuxième conduit 11b. Dans ce cas, la température de l’eau glycolée est par exemple comprise entre 0°C et 40°C, de préférence entre 0°C et 10°C avec un débit compris entre 1L/h et 15L/h.The second duct 11b can correspond to an air duct of a motor vehicle whose air temperature is to be controlled, the first duct 11a then being configured to receive a cooling liquid, for example glycol water, to evacuate the heat when it is desired to cool the temperature of the air in the second pipe 11b. In this case, the temperature of the glycol water is for example between 0°C and 40°C, preferably between 0°C and 10°C with a flow rate between 1L/h and 15L/h.
Il est également à noter que le module thermoélectrique 1 peut être utilisé aussi bien pour réchauffer que pour refroidir l’air du deuxième conduit 11b. Pour cela, la valeur (positive ou négative) du courant transmis au module thermoélectrique 1 peut être ajustée, par exemple par un circuit de commande et d’alimentation du véhicule automobile. De plus, en mode chauffage, la circulation du liquide de refroidissement dans le premier conduit 11a peut être stoppée.It should also be noted that the thermoelectric module 1 can be used both to heat and to cool the air in the second conduit 11b. For this, the value (positive or negative) of the current transmitted to the thermoelectric module 1 can be adjusted, for example by a control and supply circuit of the motor vehicle. Moreover, in heating mode, the circulation of the cooling liquid in the first conduit 11a can be stopped.
D’autres combinaisons de fluides caloporteurs peuvent être utilisés dans le premier 11a et le deuxième 11b conduits comme par exemple deux gaz ou deux liquides.Other combinations of heat transfer fluids can be used in the first 11a and the second 11b ducts, such as two gases or two liquids, for example.
Un tel échangeur thermique 10 permet notamment du fait des matériaux utilisés d’avoir un coût limité. De plus, le nombre réduit de couches entre les plots thermoélectriques 7 et les fluides caloporteurs permet de maximiser le rendement thermique de l’échangeur thermique 10.Such a heat exchanger 10 allows in particular due to the materials used to have a limited cost. In addition, the reduced number of layers between the thermoelectric pads 7 and the heat transfer fluids makes it possible to maximize the thermal efficiency of the heat exchanger 10.
Le procédé de fabrication d’un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment va maintenant être décrit à partir de l’organigramme de la
La première étape 101 concerne la fourniture et la préparation d’une première 3a et d’une deuxième 3b couches métalliques supports. Les couches métalliques supports 3a et 3b sont par exemple des plaques d’aluminium ou de cuivre comme décrit précédemment. La préparation concerne le nettoyage des couches métalliques supports 3a et 3b et notamment les zones destinées à recevoir les couches minces isolantes électriquement 4a et 4b qui doivent être dégraissées et nettoyées pour permettre une bonne fixation des couches minces isolantes électriquement 4a et 4b.The first step 101 concerns the supply and preparation of a first 3a and a second 3b metal support layers. The metal support layers 3a and 3b are for example aluminum or copper plates as described above. The preparation relates to the cleaning of the metallic support layers 3a and 3b and in particular the areas intended to receive the electrically insulating thin layers 4a and 4b which must be degreased and cleaned to allow good attachment of the electrically insulating thin layers 4a and 4b.
La deuxième étape 102 concerne le dépôt d’une première 4a et d’une deuxième 4b couches minces isolantes électriquement sur respectivement la première 3a et la deuxième 3b couches métalliques supports. Ces dépôts peuvent être réalisés seulement sur certaines zones des couches métalliques supports 3a et 3b, par exemple sur une face des couches métalliques supports 3a et 3b. La
Les dépôts de couches minces isolantes électriquement 4, 4a, 4b peuvent être réalisés par un procédé de torche à plasma. Les couches minces isolantes électriquement 4, 4a, 4b peuvent être réalisées en alumine (Al2O3).The deposits of electrically insulating thin layers 4, 4a, 4b can be produced by a plasma torch process. Thin electrically insulating layers 4, 4a, 4b can be made of alumina (Al 2 O 3 ).
La troisième étape 103 concerne la disposition d’un ensemble de pistes métalliques conductrices 5 sur la couche mince isolante électriquement 4 obtenue à l’étape 102. La
Les pistes métalliques conductrices 5, 5a, 5b sont par exemple réalisées en cuivre. Les pistes métalliques conductrices 5, 5a, 5b peuvent être déposées en une seule étape par pulvérisation cathodique à travers un masque. Alternativement, une couche de cuivre peut être déposée sur une zone destinée à recevoir les ensembles de pistes métalliques conductrices 5, 5a et 5b et les ensembles des pistes métalliques conductrices 5, 5a et 5b sont obtenus par un procédé de gravure laser ou chimique configuré pour enlever la couche de cuivre en dehors des emplacements correspondant aux pistes métalliques conductrices 5, 5a et 5b. L’épaisseur des pistes métalliques conductrices 5, 5a, 5b est par exemple comprise entre 30μm et 300μm, notamment une épaisseur de 200μm.The conductive metal tracks 5, 5a, 5b are for example made of copper. The conductive metal tracks 5, 5a, 5b can be deposited in a single step by sputtering through a mask. Alternatively, a layer of copper can be deposited on an area intended to receive the sets of conductive metal tracks 5, 5a and 5b and the sets of conductive metal tracks 5, 5a and 5b are obtained by a laser or chemical etching process configured to remove the copper layer outside the locations corresponding to the conductive metal tracks 5, 5a and 5b. The thickness of the conductive metal tracks 5, 5a, 5b is for example between 30 μm and 300 μm, in particular a thickness of 200 μm.
La quatrième étape 104 concerne le dépôt d’une couche de pâte à braser 6 (visible sur la
La cinquième étape 105 concerne la fixation par brasage des plots thermoélectriques 7 entre les pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Cette étape comprend le positionnement d’une première extrémité des plots thermoélectriques 7 sur le premier ensemble de pistes métalliques 5a au niveau des emplacements comprenant de la pâte à braser 6. La première extrémité des plots thermoélectriques 7 étant alors fixée par brasage. La cinquième étape 105 comprend également le positionnement des emplacements comprenant de la pâte à braser 6 du deuxième ensemble de pistes métalliques 5b sur la deuxième extrémité des plots thermoélectriques 7. La deuxième extrémité des plots thermoélectriques 7 étant alors fixée par brasage. D’autres méthodes de fixation des plots thermoélectriques 7 peuvent être envisagées. Les plots thermoélectriques 7 sont reliés en série par les ensembles de pistes métalliques 5a et 5b de manière à avoir une alternance de plots thermoélectriques de type P et de type N.The fifth step 105 relates to the fixing by brazing of the thermoelectric pads 7 between the conductive metal tracks 5a, 5b. This step includes positioning a first end of the thermoelectric pads 7 on the first set of metal tracks 5a at the locations comprising solder paste 6. The first end of the thermoelectric pads 7 then being fixed by soldering. The fifth step 105 also includes the positioning of the locations comprising solder paste 6 of the second set of metal tracks 5b on the second end of the thermoelectric pads 7. The second end of the thermoelectric pads 7 then being fixed by soldering. Other methods of fixing the thermoelectric studs 7 can be envisaged. The thermoelectric pads 7 are connected in series by the sets of metal tracks 5a and 5b so as to have an alternation of P-type and N-type thermoelectric pads.
La sixième étape 106 concerne la fixation de fils électriques d’alimentation 9 sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b, par exemple par soudure.The sixth step 106 relates to the attachment of electrical supply wires 9 to the conductive metal tracks 5a, 5b, for example by welding.
La
Le procédé de fabrication d’un échangeur thermique 10 tel que décrit précédemment va maintenant être décrit à partir de l’organigramme de la
Les étapes 101 à 106 sont identiques au procédé de fabrication du module thermoélectrique 1 décrit précédemment à partir de l’organigramme de la
L’étape 107 est une étape facultative et concerne la fixation d’ailettes 15 sur la face externe, c’est-à-dire la face opposée aux plots thermoélectriques 7, d’une couche métallique support, ici la deuxième couche métallique support 3b. Cette étape 107 est réalisée lorsque le fluide caloporteur destiné à traverser le conduit associé à cette couche métallique support 3b est un gaz et que l’on souhaite maximiser les échanges thermiques entre le gaz et le module thermoélectrique 1. Les ailettes 15 peuvent être fixées par un procédé de soudage, par exemple soudage par friction ou par soudage par spots, par un procédé de collage ou par un procédé de brasage. Toutefois, dans ce dernier cas, la température doit être inférieure à 240°C pour préserver la couche mince isolante électriquement 4b.Step 107 is an optional step and relates to the fixing of fins 15 on the external face, that is to say the face opposite the thermoelectric pads 7, of a metallic support layer, here the second metallic support layer 3b . This step 107 is carried out when the heat transfer fluid intended to pass through the conduit associated with this metal support layer 3b is a gas and when it is desired to maximize the heat exchanges between the gas and the thermoelectric module 1. The fins 15 can be fixed by a welding process, for example friction welding or by spot welding, by a bonding process or by a soldering process. However, in the latter case, the temperature must be less than 240° C. to preserve the electrically insulating thin layer 4b.
La
L’étape 108 concerne la fixation d’un premier capot 13a en forme de coque pour former avec la première couche métallique support 3a un premier conduit 11a configuré pour recevoir le premier fluide caloporteur. Le premier capot 13a est par exemple réalisé en matériau polymère. Le premier capot 13a est fixé de manière étanche par exemple par un assemblage multi-matériaux, par exemple par micro-structuration de la couche métallique support 3a et fluage du premier capot 13a. La
Alternativement, la couche métallique support 3a peut comprendre des pièces polymères solidaires de la couche métallique support 3a et la fixation du premier capot 13a se fait par assemblage plastique/plastique par exemple selon un procédé de bouterollage couplé avec un joint, par vissage, par soudure notamment soudure miroir, infra-rouge ou air chaud ou tout autre type de fixation connue de l’homme du métier.Alternatively, the metal support layer 3a can comprise polymer parts integral with the metal support layer 3a and the fixing of the first cover 13a is done by plastic/plastic assembly, for example according to a riveting process coupled with a joint, by screwing, by welding. in particular mirror, infrared or hot air welding or any other type of fixing known to those skilled in the art.
L’étape 109 concerne la fixation d’un deuxième capot 13b pour former le deuxième conduit 11b configuré pour recevoir le deuxième fluide caloporteur. Si le fluide caloporteur est un gaz comme dans le présent exemple, l’étanchéité peut ne pas être totale de sorte que le deuxième capot 13b peut être fixé par un verrouillage mécanique, notamment par encliquetage. La fixation deuxième capot 13b peut également permettre d’assurer le maintien des différents éléments du module thermoélectrique 1 par verrouillage mécanique.Step 109 concerns the attachment of a second cover 13b to form the second conduit 11b configured to receive the second heat transfer fluid. If the heat transfer fluid is a gas as in the present example, the tightness may not be complete so that the second cover 13b can be fixed by a mechanical locking, in particular by snap-fastening. The second cover 13b attachment can also make it possible to ensure the maintenance of the various elements of the thermoelectric module 1 by mechanical locking.
Alternativement, la fixation peut se faire par un procédé de soudage ou de collage. Le deuxième capot 13b peut venir se fixer sur le premier capot 13a comme représenté sur la
Ainsi, il est possible d’obtenir un échangeur thermique 10 comprenant un module thermoélectrique 1 et un nombre de couches intermédiaires réduit de sorte à limiter les pertes thermiques. De plus, les matériaux utilisés ainsi que la simplicité du procédé de fabrication permettent de limiter les coûts de production de l’échangeur thermique 10 ce qui le rend compatible avec une fabrication à grande échelle, notamment pour des applications dans le secteur automobile.
Thus, it is possible to obtain a heat exchanger 10 comprising a thermoelectric module 1 and a reduced number of intermediate layers so as to limit heat losses. In addition, the materials used as well as the simplicity of the manufacturing process make it possible to limit the production costs of the heat exchanger 10, which makes it compatible with large-scale manufacturing, in particular for applications in the automotive sector.
Claims (13)
- une première (3a) et une deuxième (3b) couches métalliques supports,
- une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement disposées respectivement sur une face de la première (3a) et de la deuxième (3b) couches métalliques supports,
- 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 disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes (5a, 5b) sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N.Thermoelectric module (1) comprising:
- a first (3a) and a second (3b) metal support layers,
- a first (4a) and a second (4b) thin electrically insulating layers arranged respectively on one side of the first (3a) and the second (3b) metal support layers,
- a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metal tracks arranged respectively on the first (4a) and the second (4b) electrically insulating thin layers,
- a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material arranged between the first (5a) and the second (5b) sets of conductive metal tracks,
wherein the sets of tracks (5a, 5b) are configured to serially connect the set of thermoelectric pads (7) with alternating P-type and N-type pads.
- un module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications précédentes,
- un premier conduit (11a) en contact avec la première couche métallique support (3a) et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit (11b) en contact avec la deuxième couche métallique support (3b) et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.Heat exchanger (10) comprising:
- a thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims,
- a first conduit (11a) in contact with the first metal support layer (3a) and configured to receive a first heat transfer fluid,
- a second conduit (11b) in contact with the second metal support layer (3b) and configured to receive a second heat transfer fluid.
- on dépose une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement respectivement sur une première (3a) et une deuxième (3b) couches métalliques supports, par exemple en aluminium ou en cuivre,(102)
- 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,(103)
- on dispose 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, lesdites 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 (105).Method of manufacturing a thermoelectric module (1), said method comprising the following steps:
- a first (4a) and a second (4b) electrically insulating thin layer is deposited respectively on a first (3a) and a second (3b) metal support layer, for example aluminum or copper, (102)
- a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metal tracks are placed respectively on the first (4a) and the second (4b) electrically insulating thin layers, (103)
- a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material are placed between the first (5a) and the second (5b) sets of conductive metal tracks, said conductive metal tracks (5a, 5b) being configured to serially connect the set of thermoelectric pads (7) with alternating P-type and N-type pads (105).
- on dépose une première (4a) et une deuxième (4b) couches minces isolantes électriquement respectivement sur une première (3a) et une deuxième (3b) couches métalliques supports, par exemple en aluminium ou en cuivre,(102)
- 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,(103)
- on dispose 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, lesdites 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, (105)
- on fixe un premier capot (11a) sur la première couche métallique support (3a) pour former le premier conduit de circulation (11a),(108)
- on fixe un deuxième capot (11b) sur la deuxième couche métallique support (3b) pour former le deuxième conduit de circulation (11b) (109).Method of manufacturing a heat exchanger (10) comprising a first circulation conduit (11a) for a first heat transfer fluid and a second circulation conduit (11b) for a second heat transfer fluid between which is arranged at least one thermoelectric module (1), said method comprising the following steps:
- a first (4a) and a second (4b) electrically insulating thin layer is deposited respectively on a first (3a) and a second (3b) metal support layer, for example aluminum or copper, (102)
- a first (5a) and a second (5b) sets of conductive metal tracks are placed respectively on the first (4a) and the second (4b) electrically insulating thin layers, (103)
- a set of thermoelectric pads (7) made of P-type and N-type semiconductor material are placed between the first (5a) and the second (5b) sets of conductive metal tracks, said conductive metal tracks (5a, 5b) being configured to serially connect the set of thermoelectric pads (7) with alternating P-type and N-type pads, (105)
- a first cover (11a) is fixed on the first metal support layer (3a) to form the first circulation duct (11a), (108)
- A second cover (11b) is fixed on the second metal support layer (3b) to form the second circulation duct (11b) (109).
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| FR2011478A Pending FR3116155A1 (en) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | Thermoelectric module, heat exchanger and associated manufacturing method |
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Citations (4)
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| US20060157102A1 (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-20 | Showa Denko K.K. | Waste heat recovery system and thermoelectric conversion system |
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| US9466778B2 (en) * | 2009-04-02 | 2016-10-11 | Avl List Gmbh | Thermoelectric generator unit |
| US20180204993A1 (en) * | 2015-02-19 | 2018-07-19 | Mahle International Gmbh | Heat-conductive and electrically insulating connection for a thermoelectric module |
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2020
- 2020-11-09 FR FR2011478A patent/FR3116155A1/en active Pending
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