WO2020169933A1 - Module d'alimentation thermoelectrique de dispositif de mesure pour turbomachine - Google Patents

Module d'alimentation thermoelectrique de dispositif de mesure pour turbomachine Download PDF

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WO2020169933A1
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Pierre Jean SALLOT
Clara DESGRANGES
Florian BRIX
Stéphane MATHIEU
Michel VILASI
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Safran SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Lorraine
Safran SA
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the invention relates to the general field of on-board sensors used in aeronautics to monitor the state or operation of all or part of a turbomachine.
  • the measurements from these sensors are for example used in operation, for the purpose of optimizing the operation of the turbomachine; they can also be used for equipment maintenance
  • Such sensors must be supplied electrically in order to operate, despite the thermal and mechanical stresses imposed by their environment.
  • thermoelectric modules can be used to supply the sensors, taking advantage of the thermal gradients available near the sensor installation area.
  • thermoelectric module The operation of a thermoelectric module is based on the exploitation of the Seebeck effect: a potential difference is generated between two junction points of conductors of different types subjected to a temperature difference.
  • thermoelectric module as represented in FIG. 1 consists of several elements making it possible to convert a thermal gradient between a “cold” zone and a “hot” zone into a potential difference, in particular of a succession of pairs comprising a leg of n type (leg 2), and a p type leg (leg 3), each pair being associated with an interconnection element 4 connecting the two legs 2 and 3.
  • the interconnection elements 4 are arranged in contact with two conductive plates C, a support plate C being in contact with the interconnection elements 4 making a connection from a first leg 2 to a second leg 3 in the direction of current flow, the other support plate C being in contact with the interconnection elements 4 making a connection from a second leg 3 to a first leg 2 in the direction of current flow.
  • n-type legs and the p-type legs are arranged alternately, and connected so as to form a series circuit in order to add the potential difference generated by each n-leg / p-leg pair.
  • conductive plate C is meant a thermal and electrical insulating conductor, so as to homogenize the temperature gradient to which each leg is subjected while avoiding standardizing the electrical potential of the various interconnection elements 4 in contact with the same plate. .
  • These different elements are arranged so as to form an electrical circuit in a module so as to accumulate the potential difference generated by each n / p pair.
  • thermoelectric materials exist today, exhibiting different operating temperature ranges depending on the materials constituting them.
  • the operating temperatures are often between 600 ° C and 1000 ° C.
  • thermoelectric module to be resistant:
  • the present invention therefore seeks to meet these requirements by proposing an assembly of compatible materials and making it possible to fulfill the function of an electric generator.
  • An object of the invention is to provide a thermoelectric cell which is resistant to the environmental conditions associated with use in a turbomachine.
  • Another aim of the invention is to maximize the mechanical coherence of the thermoelectric cell, by limiting the phenomena of delamination and the internal stresses.
  • Another aim of the invention is to optimize the chemical compatibility of the different phases of the thermoelectric cell.
  • Another object of the invention is to provide a thermoelectric cell capable of generating a protective oxide layer when it is subjected to oxidizing conditions.
  • thermoelectric power supply module for an on-board measuring device for a turbomachine, the module thermoelectric power supply comprising two substantially parallel support plates, a first n-type leg extending from one plate to the other plate, a second p-type leg extending from one plate to the other plate, and an interconnection element connected on the one hand to the first leg and on the other hand to the second leg, in which:
  • the first leg has a phase of an alloy of Iron and Silicon
  • the second leg has a phase of an alloy of Manganese and Silicon
  • the interconnection element comprises a solid solution comprising Manganese, Iron and Silicon.
  • such a device is supplemented by the following characteristics, taken alone or in combination:
  • the interconnection element comprises a phase of TiMnSi 2 and a phase of TiFeSi 2 ;
  • the interconnection element comprises a first zone in contact with the first leg and a second zone in contact with the second leg, in which the first zone comprises TiFeSi 2 and the second zone comprises TiMnSi 2 ;
  • the first leg has a phase of FeSi 2
  • the second leg has a phase of MnSi 1.7 ;
  • the first and / or the second leg comprises a doping element chosen from Aluminum, Chromium, Cobalt, Germanium, Boron, Antimony, Tellurium, Phosphorus, Carbon, Nitrogen, Fluorine, Sulfur, or a combination thereof;
  • the mass proportion of doping elements in the material forming the first and / or the second leg is less than 10%; - the interconnection element comprises a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
  • the invention also proposes a measuring device for a turbomachine comprising a sensor and a supply unit configured to supply said sensor with energy, in which the supply module is a module according to the invention.
  • thermoelectric cell According to yet another aspect, the invention provides a method of manufacturing a thermoelectric cell according to the invention comprising the steps of:
  • thermoelectric cell According to another aspect, the invention provides a method of manufacturing a thermoelectric cell according to the invention, comprising the steps of:
  • the invention proposes a turbomachine comprising an on-board measuring device comprising a thermoelectric power supply module according to the invention.
  • thermoelectric cell 1 is a schematic representation of a thermoelectric cell according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of a measuring device according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the steps of a method of manufacturing a thermoelectric cell according to the invention.
  • An on-board measuring device for a turbomachine as illustrated in FIG. 2, comprises a sensor 6 and a supply unit 7 configured to supply energy to the sensor 6.
  • the sensor 6 can be a temperature, stress or pressure sensor, or any other type of sensor.
  • the power supply unit 7 comprises a thermoelectric power supply module 8 comprising:
  • the first leg 9 comprises a phase of an alloy of iron and silicon.
  • the second leg 10 comprises a phase of an alloy of manganese and silicon.
  • the interconnection element 11 comprises a solid solution comprising Manganese, Iron and Silicon.
  • the thermoelectric power module 8 comprises a plurality of first legs 9 of type n and second legs 10 of type p, a plurality of interconnection elements 11 each being connected on the one hand to a first leg 9 and on the other goes to a second leg 10.
  • the interconnection elements 11 are maintained in contact with plates 12, a plate 12 being in contact with the interconnection elements 11 connecting a first leg 9 to a second leg 10 in the direction of current flow, the other plate 12 being in contact with the interconnection elements 11 connecting a second leg 10 to a first leg 9 in the direction of current flow.
  • n-type legs and the p-type legs are arranged alternately, and connected so as to form a series circuit in order to add the potential difference generated by each n-leg / p-leg pair.
  • the terminals of the circuit thus formed are connected to the terminals of the sensor 6, thus making it possible to supply the sensor 6 with energy when the thermoelectric power supply module 8 is subjected to a temperature gradient.
  • a plate 12 can be placed in contact with a body or a hot medium in the turbomachine, the other plate being in contact with a body or a less hot medium, so as to generate a potential difference. between the terminals of the thermoelectric power supply module 8 under the effect of the temperature differential between the plates 12.
  • the plates 12 are made of a thermally conductive and non-electrically conductive material, so as to homogenize the temperature gradient to which each leg is subjected while avoiding standardizing the electrical potential of the various interconnection elements 4 in contact with the same. plate.
  • compositions of the first leg 9, the second leg 10 and the interconnection element 11 make it possible in particular to promote cohesion and chemical compatibility between the first 9 and second 10 legs and the interconnection element 11, which allows to avoid the formation of unwanted secondary phases at the interface zones between:
  • alloys comprising silicon also makes it possible to form stable oxides even when exposed to high temperatures, for example a layer of silica which would form a surface protection of the first leg 9, the second leg 10. and the interconnection element 11.
  • the materials chosen also have the advantage of avoiding dependence on rare or strategic materials, by limiting their use.
  • the interconnection element 11 may comprise a phase of TiMnSi 2 and a phase of TiFeSi 2 .
  • These phases also have a good capacity to generate protective oxides, in particular silica.
  • the phases of TiMnSi 2 and TiFeSi 2 have thermal expansion coefficients close to the strut materials, which makes it possible to limit the appearance of internal stresses in the interconnection element 11 when it rises or falls in temperature, allowing to promote the mechanical coherence of the module.
  • the interconnection element 11 may comprise a first zone 111 in contact with the first leg 9 and a second zone 112 in contact with the second leg 10, in which the first zone 111 comprises TiFeSi 2 and the second zone 112 contains TiMnSi 2 .
  • the volume proportion in phases of TiMnSi 2 and TiFeSi 2 in the microstructure is greater than 94%.
  • the interconnection element comprises a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
  • This phase also has a good capacity to generate protective oxides, in particular silica.
  • the advantage of using a main phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si is to optimize the homogeneity of the physical characteristics of the element interconnection 11, so as to limit the appearance of internal stresses.
  • the phase volume proportion of Mn 0.5 Fe 0.5 Si in the microstructure is greater than 94%.
  • the first leg 9 may comprise a phase of FeSi 2
  • the second leg 10 comprises a phase of MnSi 1.7 .
  • the phases of FeSi 2 and MnSi 1.7 exhibit an ability to generate a protective oxide layer, and do not form secondary phases at the interfaces with TiMnSi 2 , TiFeSi 2 , or Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
  • first leg 9 and / or the second leg 10 can comprise doping elements, added to improve the thermoelectric properties of the materials constituting them.
  • the doping elements can be chosen from:
  • - transition metals for example chromium, cobalt,
  • the materials constituting the first leg 9 can comprise a volume proportion greater than 90% of FeSi 2 (respectively of MnSi 1.7 ) and a volume proportion of oxides dispersed in the massive (silica, oxides from doping elements, ...) less than or equal to 10%.
  • This ratio of proportions makes it possible in particular to avoid the formation of phases that are harmful to the properties of the material.
  • the proportion of oxide in the solid makes it possible to modify the thermal conductivity of the legs and to optimize the thermoelectric performance of each of them.
  • the materials constituting the first leg 9 (respectively the second leg 10) have a proportion of phases rich in silicon of less than 10% of the total volume.
  • silicon-rich phase is understood to mean a phase in which the atomic concentration of silicon is greater than 70%.
  • thermoelectric power supply module 8 can be manufactured by a process comprising the following steps:
  • metal powders are placed in a mold and then heated to the melting point of at least one of the various elements present.
  • the powders can be compressed and heated to a temperature close to their melting point, so as to join the powder grains together.
  • a current can be injected through the powders, so as to generate arcs causing local heating of the powder grains causing the powder grains to join together.
  • doping elements can be added to improve the thermoelectric properties of these phases.
  • a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si is produced by a melting or powder metallurgy process, for example sintering or flash sintering.
  • phase of MnSi 1.7 is thus brought into contact with the phase of TiMnSi 2 , the phase of TiMnSi 2 with the phase of TiFeSi 2 , and the phase of TiFeSi 2 with the phase of FeSi 2 .
  • the phase of MnSi 1.7 is brought into contact with the phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si, and the phase of Mno, 5 Fe, 5 Si with the phase of FeSi 2 .
  • subsequent heat treatments can be carried out, as well as machining phases and non-destructive testing operations, so as to ensure the quality of the product.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, comportant un capteur (6) et une unité d'alimentation (7) configurée pour alimenter en énergie le capteur (6), l'unité d'alimentation (7) comportant un module d'alimentation thermoélectrique (8) comportant deux plaques support (12) sensiblement parallèles,une première jambe (9) de type n s'étendant d'une plaque (12) à l'autre plaque (12), une deuxième jambe (10) de type p s'étendant d'une plaque (12) à l'autre plaque (12), et un élément d'interconnexion (11) connecté d'une part à la première jambe (9) et d'autre part à la deuxième jambe (10), dans lequel: -la première jambe (9) comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium, -la deuxième jambe (10) comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium, -l'élément d'interconnexion (11) comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.

Description

MODULE D'ALIMENTATION THERMOELECTRIOUE DE DISPOSITIF DE MESURE POUR TURBOMACHINE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
L'invention concerne le domaine général des capteurs embarqués utilisés dans l'aéronautique pour suivre l'état ou le fonctionnement de tout ou partie d'une turbomachine.
Plus précisément, elle concerne les modules d'alimentation de ces capteurs.
Les turbomachines sont aujourd'hui classiquement équipées de capteurs embarqués (capteurs de contraintes, capteurs de température, etc.).
Les mesures de ces capteurs sont par exemple utilisées en fonctionnement, à des fins d'optimisation du fonctionnement de la turbomachine ; elles peuvent également être utilisées à des fins de maintenance des équipements
De tels capteurs doivent être alimentés électriquement afin de fonctionner, malgré les sollicitations thermiques et mécaniques imposées par leur environnement.
En fonction des contraintes d'installation de ces capteurs, par exemple dans des zones confinées ou fortement sollicitées thermiquement, il n'est pas toujours possible de tirer des fils d'alimentation de manière à connecter les capteurs à une source de puissance centralisée, ni d'y accoler un système de batteries, bien souvent trop volumineux.
Dans de telles configurations d'installation, par exemple en présence de fortes contraintes d'encombrement, des modules thermoélectriques peuvent être utilisés pour alimenter les capteurs, tirant profit des gradients thermiques disponibles à proximité de la zone d'implantation du capteur.
Le fonctionnement d'un module thermoélectrique est basé sur l'exploitation de l'effet Seebeck : une différence de potentiel est générée entre deux points de jonction de conducteurs de natures différentes soumis à une différence de température.
Classiquement, un module thermoélectrique tel que représenté en figure 1 est constitué de plusieurs éléments permettant de convertir un gradient thermique entre une zone « froide » et une zone « chaude » en différence de potentiel, notamment d'une succession de couples comportant une jambe de type n (jambe 2), et une jambe de type p (jambe 3), chaque couple étant associé à un élément d'interconnexion 4 reliant les deux jambes 2 et 3.
Les éléments d'interconnexion 4 sont disposés au contact de deux plaques conductrices C, une plaque support C étant au contact des éléments d'interconnexion 4 faisant liaison d'une première jambe 2 à une deuxième jambe 3 dans le sens de circulation du courant, l'autre plaque support C étant au contact des éléments d'interconnexion 4 faisant liaison d'une deuxième jambe 3 à une première jambe 2 dans le sens de circulation du courant.
Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d'ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe n/ jambe p.
Par plaque conductrice C, il est entendu un conducteur thermique et isolant électrique, de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d'uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d'interconnexion 4 en contact avec la même plaque.
Ces différents éléments sont agencés de manière à former un circuit électrique dans un module de manière à cumuler la différence de potentiel générée par chaque couple n / p.
De nombreux matériaux thermoélectriques existent aujourd'hui, présentant des plages de température de fonctionnement différentes selon les matériaux les constituant. Pour les applications aéronautiques, particulièrement les turbomachines, les températures de fonctionnement sont souvent comprises entre 600°C et 1000°C.
Néanmoins, les sollicitations spécifiques développées par les structures aéronautiques imposent au module thermoélectrique d'être résistant :
- Au cyclage thermique, induit par les transitoires entre le décollage, la croisière et l'atterrissage ;
- Au vieillissement longue durée à température élevée, la maintenance de ces modules devant être cohérente de celle des pièces auxquelles ils sont fixés ;
- A l'oxydation sous air, les environnements turbines étant obligatoirement sous air et à température élevée.
La présente invention cherche donc à répondre à ces exigences en proposant un assemblage de matériaux compatibles et permettant de remplir la fonction de générateur électrique.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer une cellule thermoélectrique qui résiste aux conditions environnementales liées à une utilisation dans une turbomachine.
Un autre but de l'invention est de maximiser la cohérence mécanique de la cellule thermoélectrique, en limitant les phénomènes de délamination et les contraintes internes.
Un autre but de l'invention est d'optimiser la compatibilité chimique des différentes phases de la cellule thermoélectrique.
Un autre but de l'invention est de réaliser une cellule thermoélectrique capable de générer une couche d'oxyde protectrice lorsqu'elle est soumise à des conditions oxydantes.
L'invention propose un module d'alimentation thermoélectrique pour dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, le module d'alimentation thermoélectrique comportant deux plaques support sensiblement parallèles, une première jambe de type n s'étendant d'une plaque à l'autre plaque, une deuxième jambe de type p s'étendant d'une plaque à l'autre plaque, et un élément d'interconnexion connecté d'une part à la première jambe et d'autre part à la deuxième jambe, dans lequel :
- la première jambe comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium,
- la deuxième jambe comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium,
- l'élément d'interconnexion comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.
Optionnellement mais avantageusement, un tel dispositif est complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l'élément d'interconnexion comporte une phase de TiMnSi2 et une phase de TiFeSi2 ;
- l'élément d'interconnexion comporte une première zone en contact avec la première jambe et une deuxième zone en contact avec la deuxième jambe, dans lequel la première zone comporte du TiFeSi2 et la deuxième zone comporte du TiMnSi2 ;
- la première jambe comporte une phase de FeSi2, et la deuxième jambe comporte une phase de MnSi1,7 ;
- la première et/ou la deuxième jambe comporte un élément de dopage choisi parmi l'Aluminium, le Chrome, le Cobalt, le Germanium, le Bore, l'Antimoine, le Tellure, le Phosphore, le Carbone, l'Azote, le Fluor, le Soufre, ou une combinaison de ceux-ci ;
- la proportion massique d'éléments de dopage dans le matériau formant la première et/ou la deuxième jambe est inférieure à 10% ; - l'élément d'interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si.
Selon un autre aspect, l'invention propose également un dispositif de mesure pour turbomachine comportant un capteur et une unité d'alimentation configurée pour alimenter en énergie ledit capteur, dans lequel le module d'alimentation est un module selon l'invention.
Selon un autre aspect encore, l'invention propose un procédé de fabrication d'une cellule thermoélectrique selon l'invention comprenant les étapes de :
- SI : Elaboration de phases de MnSi1,7 et de FeSi2 par fusion ou frittage ;
- S2 : Elaboration de phases de TiMnSi2, TiFeSi2 par un procédé de fusion ou de frittage ;
- S3 : Mise en contact de la phase de MnSi1,7 avec la phase de TiMnSi2, de la phase de TiMnSi2 avec la phase de TiFeSi2, et de la phase de TiFeSi2 avec la phase de FeSi2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.
Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'une cellule thermoélectrique selon l'invention, comprenant les étapes de :
- SI : Elaboration de phases de MnSi1,7 et de FeSi2 par fusion ou frittage ;
- S2' : Elaboration d'une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de frittage ;
- S3' : Mise en contact de la phase de MnSi1,7 avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, de la phase de Mn0,5Fe0,5Si avec la phase de FeSi2 ; - S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.
Selon un autre aspect, l'invention propose une turbomachine comportant un dispositif de mesure embarqué comportant un module d'alimentation thermoélectrique selon l'invention.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une cellule thermoélectrique selon l'art antérieur ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention ;
- la figure 3 est une représentation schématique des étapes d'un procédé de fabrication d'une cellule thermoélectrique selon l'invention.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET
DE RÉALISATION
Généralités
Un dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, tel qu'illustré en figure 2, comporte un capteur 6 et une unité d'alimentation 7 configurée pour alimenter en énergie le capteur 6.
Le capteur 6 peut être un capteur de température, de contraintes, de pression, ou tout autre type de capteur.
L'unité d'alimentation 7 comporte un module d'alimentation thermoélectrique 8 comportant :
- deux plaques support 12 sensiblement parallèles,
- une première jambe 9 de type n s'étendant d'une plaque 12 à l'autre plaque 12, - une deuxième jambe 10 de type p s'étendant d'une plaque 12 à l'autre plaque 12, et
- un élément d'interconnexion 11 connecté d'une part à la première jambe 9 et d'autre part à la deuxième jambe 10.
La première jambe 9 comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium.
La deuxième jambe 10 comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium.
L'élément d'interconnexion 11 comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.
Le module d'alimentation thermoélectrique 8 comporte une pluralité de premières jambes 9 de type n de deuxièmes jambes 10 de type p, une pluralité d'éléments d'interconnexion 11 étant chacun connectés d'une part à une première jambe 9 et d'autre part à une deuxième jambe 10.
Les éléments d'interconnexion 11 sont maintenus au contact de plaques 12, une plaque 12 étant au contact des éléments d'interconnexion 11 faisant liaison d'une première jambe 9 à une deuxième jambe 10 dans le sens de circulation du courant, l'autre plaque 12 étant au contact des éléments d'interconnexion 11 faisant liaison d'une deuxième jambe 10 à une première jambe 9 dans le sens de circulation du courant.
Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d'ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe n/ jambe p.
Les bornes du circuit ainsi formées sont connectées aux bornes du capteur 6, permettant ainsi d'alimenter le capteur 6 en énergie lorsque le module d'alimentation thermoélectrique 8 est soumis à un gradient de température.
Une plaque 12 peut être placée au contact d'un corps ou un milieu chaud dans la turbomachine, l'autre plaque étant au contact d'un corps ou un milieu moins chaud, de manière à générer une différence de potentiel entre les bornes du module d'alimentation thermoélectrique 8 sous l'effet du différentiel de température entre les plaques 12.
Avantageusement, les plaques 12 sont réalisées en matériau conducteur thermique et non conducteur électrique, de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d'uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d'interconnexion 4 en contact avec la même plaque.
Les compositions de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion 11 permettent notamment de favoriser la cohésion et la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de phases secondaires non désirées aux zones d'interface entre :
- la première 9 et l'élément d'interconnexion 11, et
- la deuxième 10 jambe et l'élément d'interconnexion 11.
Cela permet notamment ne pas former de phases secondaires qui modifieraient la conductivité électrique, thermique ou le coefficient Seebeck des matériaux.
L'utilisation d'alliages comportant du Silicium permet en outre de former des oxydes stables même lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, par exemple une couche de silice qui formerait une protection en surface de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion 11.
Les matériaux choisis présentent également l'avantage d'éviter une dépendance à des matériaux rares ou stratégiques, en limitant leur utilisation.
L'élément d'interconnexion
Dans un mode de réalisation, l'élément d'interconnexion 11 peut comporter une phase de TiMnSi2 et une phase de TiFeSi2.
L'utilisation de telles phases permet d'assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux.
Ces phases présentent également une bonne capacité à générer des oxydes protecteurs, notamment de la silice.
Les phases de TiMnSi2 et de TiFeSi2 présentent des coefficients de dilatation thermique proches des matériaux de jambe, ce qui permet de limiter l'apparition de contraintes internes dans l'élément d'interconnexion 11 lorsqu'il monte ou descend en température, permettant de favoriser la cohérence mécanique du module.
Dans un mode de réalisation, l'élément d'interconnexion 11 peut comporter une première zone 111 en contact avec la première jambe 9 et une deuxième zone 112 en contact avec la deuxième jambe 10, dans lequel la première zone 111 comporte du TiFeSi2 et la deuxième zone 112 comporte du TiMnSi2.
Cela permet d'améliorer la cohésion et la compatibilité chimique entre la première jambe 9 et l'élément d'interconnexion 11 et entre la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion.
Avantageusement, la proportion volumique en phases de TiMnSi2 et TiFeSi2 dans la microstructure est supérieure à 94%.
Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d'éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau.
En variante, l'élément d'interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si.
L'utilisation d'une telle phase permet d'assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux.
Cette phase présente également une bonne capacité à générer des oxydes protecteurs, notamment de la silice.
L'avantage d'utiliser une phase principale de Mn0,5Fe0,5Si est d'optimiser l'homogénéité des caractéristiques physiques de l'élément d'interconnexion 11, de manière à limiter l'apparition de contraintes internes.
Avantageusement, la proportion volumique en phase de Mn0,5Fe0,5Si dans la microstructure est supérieure à 94%.
Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d'éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau.
Les jambes
Dans un mode de réalisation, la première jambe 9 peut comporter une phase de FeSi2, et la deuxième jambe 10 comporte une phase de MnSi1,7.
Ces composés ont des coefficients de dilatation thermique proches l'un de l'autre, ce qui permet de limiter les risques de délaminage aux interfaces. En outre, leurs coefficients de dilatation thermique sont proches des coefficients de dilatation thermique du TiMnSi2, du TiFeSi2, et du Mn0,5Fe0,5Si. Cela permet de limiter l'apparition de contraintes au niveau des zones d'interfaces entre les jambes 9, 10 et l'élément d'interconnexion.
En outre, les phases de FeSi2 et de MnSi1,7 présentent une capacité à générer une couche d'oxyde protectrice, et ne forment pas de phases secondaires aux interfaces avec le TiMnSi2, le TiFeSi2, ou le Mn0,5Fe0,5Si.
Optionnellement, la première jambe 9 et/ou la deuxième jambe 10 peut comporter des éléments de dopage, ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques des matériaux les constituant.
Les éléments de dopage peuvent être choisis parmi :
- les métaux, par exemple l'Aluminium,
- les métaux de transition, par exemple le Chrome, le Cobalt,
- les métalloïdes, comme le Germanium, le Bore, l'Antimoine, le Tellure,
- les non-métaux, comme le Phosphore, le Carbone, l'Azote, le Fluor, le Soufre. Dans un mode de réalisation, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) peuvent comporter une proportion volumique supérieure à 90% de FeSi2 (respectivement de MnSi1,7) et une proportion volumique d'oxydes dispersés dans le massif (silice, oxydes provenant d'éléments de dopage, ...) inférieure ou égale à 10%.
Ce rapport de proportions permet notamment d'éviter la formation de phases néfastes pour les propriétés du matériau. La proportion d'oxyde dans le massif permet de modifier la conductivité thermique des jambes et d'optimiser les performances thermoélectriques de chacune d'elles.
Avantageusement, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) présentent une proportion de phases riches en Silicium inférieure à 10% du volume total.
Il est entendu par phase riche en Silicium une phase dans laquelle la concentration atomique en Silicium est supérieure à 70%.
Ce rapport de proportion permet de modifier les propriétés de conduction électrique des jambes et ainsi d'en optimiser les performances thermoélectriques.
Procédé de fabrication
Un module d'alimentation thermoélectrique 8 peut être fabriqué par un procédé comportant les étapes suivantes :
SI : Elaborer des phases de MnSi1,7 et de FeSi2 par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.
Dans un mode de réalisation, des poudres métalliques sont disposées dans un moule puis chauffées jusqu'au point de fusion d'au moins un des différents éléments en présence.
En variante, les poudres peuvent être compressées et chauffées à une température proche de leur point de fusion, de manière à solidariser les grains de poudre entre eux. A la place du chauffage, un courant peut être injecté à travers les poudres, de manière à générer des arcs provoquant un chauffage local des grains de poudre amenant à solidariser les grains de poudre entre eux.
Optionnellement, des éléments dopants peuvent être ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques de ces phases.
Les matériaux obtenus seront dénommés respectivement MS et FS par la suite.
52 : Elaborer les phases TiMnSi2, TiFeSi2 par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.
Dans un mode de réalisation, au cours d'une étape S2' on élabore une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.
53 : Mettre en contact les différentes phases que ce soit sous forme solide, poudre, ou une combinaison des deux suivant les séquences suivantes : MS/TiMnSi2/TiFeSi2/FS.
La phase de MnSi1,7 est ainsi mise en contact avec la phase de TiMnSi2, la phase de TiMnSi2 avec la phase de TiFeSi2, et la phase de TiFeSi2 avec la phase de FeSi2.
Dans un autre mode de réalisation, au cours d'une étape S3', la phase de MnSi1,7 est mise en contact avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, et la phase de Mno,5Feo,5Si avec la phase de FeSi2.
54 : Réaliser la jonction et/ou densification des différents éléments en une étape par pressage à chaud ou par frittage flash.
Les caractéristiques en tout point du module des microstructures obtenues sont les suivantes :
• Pour les matériaux interconnecteurs (TiMnSi2/TiFeSi2/ Mn0,5Fe0,5Si) : o Densité relative >94%
o Proportion volumique des phases TiMnSi2, TiFeSi2, Mn0,5Fe0,5Si dans la microstructure >94 vol%
• Pour les matériaux MS et FS :
o Densité relative >90%
o Proportion volumique des phases MS et FS dans la microstructure >90 vol% o Proportion volumique d'oxydes (AI2O3, Cr2O3, MnO, MgO, S1O2, ...) £10 vol%
o Proportion volumique de phases riches en Si (composition en Si >70 at%) £ 10 vol% total.
Avantageusement, des traitements thermiques ultérieurs peuvent être réalisés, ainsi que des phases d'usinage et des opérations de contrôle non-destructif, de manière à assurer la qualité du produit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module d'alimentation thermoélectrique (8) pour dispositif de mesure embarqué ou destiné à être embarqué sur une turbomachine, le module d'alimentation thermoélectrique (8) comportant deux plaques support (12) sensiblement parallèles, une première jambe (9) de type n s'étendant d'une plaque (12) à l'autre plaque (12), une deuxième jambe (10) de type p s'étendant d'une plaque (12) à l'autre plaque (12), et un élément d'interconnexion (11) connecté d'une part à la première jambe (9) et d'autre part à la deuxième jambe (10), dans lequel :
- la première jambe (9) comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium,
- la deuxième jambe (10) comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium,
- l'élément d'interconnexion (11) comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.
2. Module selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'interconnexion (11) comporte une phase de TiMnSi2 et une phase de TiFeSi2.
3. Module selon une des revendications 1 à 2, dans lequel l'élément d'interconnexion (11) comporte une première zone (111) en contact avec la première jambe (9) et une deuxième zone (112) en contact avec la deuxième jambe (10), dans lequel la première zone (111) comporte du TiFeSi2 et la deuxième zone (112) comporte du TiMnSi2.
4. Module selon une des revendications 1 à 3, dans lequel la première jambe (9) comporte une phase de FeSi2, et la deuxième jambe (10) comporte une phase de MnSi1,7.
5. Module selon une des revendications 1 à 4, dans lequel la première (9) et/ou la deuxième (10) jambe comporte un élément de dopage choisi parmi l'Aluminium, le Chrome, le Cobalt, le Germanium, le Bore, l'Antimoine, le Tellure, le Phosphore, le Carbone, l'Azote, le Fluor, le Soufre, ou une combinaison de ceux-ci.
6. Module selon la revendication 5, dans lequel la proportion massique d'éléments de dopage dans le matériau formant la première (9) et/ou la deuxième (10) jambe est inférieure à 10%.
7. Module selon l'une des revendications 1 et 4 à 6, dans lequel l'élément d'interconnexion (11) comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si.
8. Dispositif de mesure pour turbomachine comportant un capteur (6) et une unité d'alimentation (7) configurée pour alimenter en énergie ledit capteur (6), caractérisé en ce que l'unité d'alimentation (7) comporte un module d'alimentation (8) selon l'une des revendications 1 à 7.
9. Procédé de fabrication d'un module d'alimentation thermoélectrique (8) selon une des revendications 1 à 6 comprenant les étapes de :
- SI : Elaboration de phases de MnSi1,7 et de FeSi2 par fusion ou frittage ;
- S2 : Elaboration de phases de TiMnSi2, TiFeSi2 par un procédé de fusion ou de frittage ;
- S3 : Mise en contact de la phase de MnSi1,7 avec la phase de TiMnSi2, de la phase de TiMnSi2 avec la phase de TiFeSi2, et de la phase de TiFeSi2 avec la phase de FeSi2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.
10. Procédé de fabrication d'un module d'alimentation thermoélectrique (8) selon la revendication 7, comprenant les étapes de : - SI : Elaboration de phases de MnSi1,7 et de FeSi2 par fusion ou frittage ;
- S2' : Elaboration d'une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de frittage ; - S3' : Mise en contact de la phase de MnSi1,7 avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, de la phase de Mn0,5Fe0,5Si avec la phase de FeSi2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.
11. Turbomachine comportant un dispositif de mesure embarqué comportant un module d'alimentation thermoélectrique (8) selon une des revendications 1 à 7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010108958A (ja) * 2008-10-28 2010-05-13 Kyocera Corp 熱電モジュールおよびその製造方法
JP2012238399A (ja) * 2011-05-09 2012-12-06 Gs Yuasa Corp 非水電解質二次電池用電極材料、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010108958A (ja) * 2008-10-28 2010-05-13 Kyocera Corp 熱電モジュールおよびその製造方法
JP2012238399A (ja) * 2011-05-09 2012-12-06 Gs Yuasa Corp 非水電解質二次電池用電極材料、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池

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