Brevet FR2077629A1 — publié le 19711029

...•71 03157 1 2077629 - La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un ensemble thermo-électrique, qui consiste à assembler plusieurs éléments thermo-électriques en intercalant entre les éléments adjacents une matière cellulaire électriquement isolante, à introduire 5 un agent de liaison durcissable qui peut subir un écoulement plastique à un stade précédant le durcissement, à appliquer une pression à l'ensemble des éléments pendant que l'agent de liaison peut subir un écoulement plastique et à maintenir la pression jusqu'à ce que l'agent de liaison ait durci, la pression étant suffisante pour que 10 la séparation des éléments adjacents soit déterminée par la matière intercalée sans variation incertaine due.à la formation de pellicules intermédiaires de l'agent de liaison. , .'La présente invention englobe un ensemble thermo-électrique réalisé par le procédé décrit ci-dessus. 15 De préférence, les éléments thermo-électriques comprennent une matière semi-conductrice à base de tellurure de bismuth alternativement du type P et du type N. La présente invention concerne également une batterie thermo-électrique pour un entraîneur électrosystolique comportant 20 un ensemble thermo-électrique tel que décrit ci-dessus, dans lequel la dimension des grains de la- matière constituant les éléments thermo-électriques est inférieure à la dimension de section droite des éléments. ' - ~ D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 25 ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. - Sur ces dessins : . -la figure 1 est une ,vue en perspective schématique de 30 l'appareil représenté en arrachement pour montrer ses composants ; et les figures 2 à 7 montrent des phases de la fabrication d'une partie de la batterie thermo-électrique. En se référant à la figure 1, la batterie thermo-électrique 35 11 comporte une enveloppe externe cylindrique 12 en acier inoxydable destinée à être fermée hermétiquement par un bouchon 13 en maintenant l'intérieur sous vide ou rempli d'un gaz inerte choisi. ÉKèt. 71 03157 2 2077629 L'étanchéité finale est assurée èn soudant le "bouchon 13 en position, • Dans le récipient 12 se trouve une source de chaleur 14, un ensemble thermo-électrique 15, un disque métallique 16 constituant un dissipateur de chaleur et des conducteurs électriques 17 et 18 5 qui sortent en passant à travers des joints 19 et 20 d'un bouchon 21 en alumine. La source de chaleur l'4 comprend une charge 22 de plutonium-238 contenue dans une petite boîte cylindrique 23 en acier du type "Hastelloy" qui est représentée comme étant intérieurement chemisée 10 en 24. Toutefois, la chemise 24 n'est pas indispensable. Dans cet exemple, la source de chaleur 14 est reliée à une face terminale de 1'ensemble thermo-électrique 15. L'extrémité froide de l'ensemble thèrmo-électrique 15 est collée par un adhésif au disque métallique 16 qui transmet la cha-15 leur abandonnée au récipient 12. Le disque 16 est ajusté à force dans l'ensemble du joint eh alumine qui comporte lé bouchon 21 en alumine et un cylindre en métal' composite"26a/26b. Le bouchon 21 constitue à la fois un isolant électrique et un bouchon ëtànche au vide et il est brasé sur le cylindre 26a/26b. L'étanchéité est as-' 20 surée en soudant en 25 le cylindre 26a/26b au récipient 12. Lés conducteurs électriques 17 et 18 sont également scellés d'une manière analogue et sont isolés du disque métallique 16 par de petits éléments annulaires rapportés en alumine (non représentés). La fabrication de l'ensemble thermo-électrique 15 commence 25 avec deux blocs, comme indiqué en 26 sur la figure 2, d'une matière semi-conductrice à base de tellurure de bismuth. Dans un bloc, le tellurure de bismuth est dopé de façon que la matière semi-conductrice soit du type N. Dans l'autre blocj le "tellurure dé "bismuth est.dopé de façon que la matière semi-conductrice "soit du type P. 30 Les blocs 26 sont initialement formés par une technique dé compression des poudres, une dimension,, à savoir celle "'désignée par "D" .sur la figure 2, étant égale à la hauteur désirée de l'ensemble thermo-électrique final f5« Ensuite, les blocs 26 sont découpés sous formé de minces 35 .plaques rectangulaires 27 dont un côté correspond à la dimension D. L'ensemble thermo-électrique 15 finalement formé se compose de plusieurs tiges de matière thermo-électrique"ayant une section droite BAD ORIGINAL nu «{"ut: P^157 5 2077629 rect^igulÊiire, par exemple une section droite carrée de 0,318 mm de ,. côté. L'épaisseur des tranches 27 est ainsi de 0,381 mm. Huit ■*-> 1 jj'"- M 'j +( _.trancheç de matière semi-conductrice alternativement du type lï et du type P sont disposées comme représenté sur la figure 3 en inter-5 calant une mince feuille de matière cellulaire 28 entre chacune des tranches de matière semi-conductrice. Dans cet exemple, la matière cellulaire est du papier à cigarette. Les feuilles de papier 28 sont.imprégnées d'une résine époxy et l'ensemble des tranches de •3Z'' M jJ 0 '1 1 0 £ -■* •"> matière^semi-conductrice et des feuilles de papier est pressé pour t 10 formerrijn bloc 29 du type "sandwich" comme indiqué sur la figure 4. Pendant que la résine époxy peut encore subir un écoulement plastique, une pression est appliquée au bloc 29, comme indiqué par lesflèches, 31, 32. La pression appliquée est suffisante pour que la, séparation des tranches adjacentes de matière semi-conductrice' 15 puisse être déterminée par les feuilles de papier intercalées sans , _ varj.atipn incertaine due à la formation de pellicules intermédiaires ^ ; de résine é_poxy. En pratique, la pression nécessaire est obtenue en augmentant "la pression jusqu'à ce qu'une augmentation supplémentaire UXI.) fi ^ jde ladite pression n'ait plus pour effet de réduire sensiblement 20 _ 1'^épaisseur du bloc 29. En particulier, dans cet exemple, une telle Pression, peut être obtenue en serrant dans un petit étau à vis commandé manuellement. Dans ces conditions, la résine époxy remplit sïzîtsq ai- ijsq or elles .porea du papier de façon que l'écartement des tranches adja-. s. 33T£fS8 9Tq centes de matière semi-conductrice soit déterminé avec précision e-jiïïisrno'.. , pe^r .l'épaisseur des feuilles de papier 28. La pression appliquée ess.t maintenue jusqu'à ce que la résine époxy ait durci. e L . r:c io rrtr airs'! Ensuite, le bloc 29 est découpé le long de plans -oiJDrxoo- Lffiss sis-.cr .. ^ ^perpendiculaires aux plans des tranches semi-conductrices formant . 3,,.le W-Q9 29 et parallèlement à la dimension D. La ligne et la direc-30 tion de coupe sont indiquées par les flèches 33 sur la figure 4. r' Ainsi, le bloc 29 est découpé en plusieurs tranches dont 'Ci "i.sq 99rrsiQ9x; . . deux.sont représentées, en 34 et 35 sur la figure 5- Ces tranches 34 ïj.amez:*:e ' i ob s et 35 sont découpées dans cet exemple à une épaisseur de 0,381 mm et comportent ainsi une rangée de huit tiges de matière semi-rr lr35, r, conductrice alternativement du type K" et du type P fixées ensemble mis espacées les unes des autres par des bandes isolantes de papier i es ; qui déterminent une séparation précise et uniforme entre les tiges adjacentes. -.u a 71 03157 4 2077629 Huit tranches obtenues à partir du bloc 29 sont assemblées en disposant entre elles des feuilles de papier à cigarette 36 de la manière représentée pour les deux tranches de la figure 5. Une tranche sûr deux est inversée de façon qu'une tige semi-conductrice 5 du type ET d'une tranche se trouve près d'une tige semi-conductrice du type" P de la tranche adjacente. les feuilles de papier 36 sont imprégnées d'une résine époxy, l'ensemble est pressé sous forme d'un bloc comme indiqué sur la figure 6 et une' pression est de nouveau appliquée pour que la séparation des tranches adjacentes 34 et "10 35 soit déterminée par le papier sans variation incertaine due à la formation de pellicules intermédiaires de résine époxy. Afin de prévoir l1établissement d'une connexion électrique avec la thermopile qui doit être finalement constituée par le bloc représenté sur la figure 6, deux bandes de nickel sont fixées à un 15 côté du bloc, chaque-bande ayant une face terminale affleurant sensiblement la surface terminale du bloc qui doit" constituer l'extrémité froide de la thermopile que doit former le bloc. Ces bandes de nickel sont représentées en 37 et 38 sur la figure 7 qui représente une vue en plan du bloc représenté sur la figure &. Entre les bandes 20 de nickel 37 et 38 et le bloc est intercalée une feuille de papier afin d'isoler électriquement les bandes de nickel du bloc. Le papier est imprégné d'une résine époxy de façon que la fixation des bandes de nickel àu bloc soit la même que celle des tranches du bloc les unes aux autres. Dans cet exemple, les bandes de nickel sont fixées 25 au cours de la même phase que l'ensemble des tranches de la figure 5 et de la figure 6 pour former le bloc final. Ce processus réduit le' nombre"des opérations de pressage^ mais si on le désire, les bandes de nickel 37 et'38 peuvent être collées au bloc au cours d'une opération ultérieure. 30 Ensuite, les deux extrémités du bloc sont aplanies par polissage en prenant soin que les faces terminales des bandes de nickel 37 et 38 affleurent avec précision les surfaces d* extrémité des tiges thermo-électriques à l'extrémité froide. La figure 7 montre la disposition relative des tiges semi-35 conductrices du type N et du type P dans le bloc et on enregistre un masque correspondant aux deux surfaces terminales du bloc par une technique utilisant une photo-réserve. La figure 7 montre - 71 03157 5 2077629 l'extrémité froide et le masque est disposé de manière à laisser à découvert les régions entourées par les rectangles en pointillé 39. Ces régions découvertes 39 déterminent l'emplacement et l'étendue des ponts conducteurs de l'électricité qui doivent être 5 formés pour lier ensemble les tiges thermo-électriques du bloc pour former un réseau de thermocouples en série. A cet effet, on voit que la configuration des régions,découvertes de l'autre extrémité du bloc, à savoir l'extrémité correspondant à l'extrémité chaude en fonctionnement, est analogue à celle de l'extrémité froide représen— 10 tée sur la figure 7, mais décalée de façon par exemple que la tige 41 soit reliée à la tige 42 à l'extrémité chaude et que la tige 43 soit reliée à la tige 44, et ainsi de suite. Le bloc est alors monté, dans un four à vide près d'une nacelle contenant de l'or pur et, après la mise sous vide du four, 16 l'or est chauffé pour qu'il s'évapore et forme un dépôt sur les régions découvertes des extrémités du bloc. De cette manière, des ponts sous forme de mince couche d'or sont réalisés pour établir la connexion électrique nécessaire entre les tiges semi-conductrices formant les éléments thermo-électriques du bloc. D'une manière im-20 prévisible, les minces couches d'or formées de cette manière directement sur l'alliage de tellurure de bismuth présentent une adhérence satisfaisante, ne provoquent pas un empoisonnement important du tellurure de bismuth et conviennent pour transporter le courant électrique dans un ensemble'ayant la petite dimension de cet exemple. 25 La dimension maximale d'un ensemble auquel cette technique de réalisation des ponts conducteurs de l'électricité est applicable peut être déterminée en fonction de l'intensité maximale du courant passant dans les ponts et elle a été estimée comme étant de l'ordre de 10~1 ampères. 30_ Ainsi, l'emplacement précis nécessaire des ponts, qui dépend de la formation du masque, est facilité par l'écartement précis et uniforme des tiges thermo-électriques obtenu par la technique décrite plus haut pour la fabrication du bloc. On se rend également compte que la liaison des conducteurs électriques aux deux extrémi— 35 tés du réseau en série des thermocouples èst grandement simplifiée par la technique consistant à fixer les bandes de nickel au côté du bloc et à établir une liaison à l'aide de ponts d'or entre ces 71 63157 6 2077629 dernières et les éléments terminaux des thermocouples en même temps que les autres ponts conducteurs sont formés. Selon une autre caractéristique importante de l'ensemble thermo-électrique de cet exemple, les alliages à base de tellurure 5 de bismuth à partir desquels les éléments sont formés sont fabriqués de façon que la dimension des grains des alliages soit très inférieure à la dimension des sections droites des éléments thermo-électriques. Si la dimension des grains de l'alliage n'est pas inférieure à la dimension des sections droites des éléments, il est 10 alors évident que les.éléments sont susceptibles de présenter une résistance mécanique médiocre et une valeur thermo-électrique très inférieure à celle de la matière de base. L'invention n'est pas limitée aux détails de l'exemple ci-dessus. Par exemple, il n'est pas indispensable que la matière iso-15 lante intercalée entre les éléments thermo-électriques adjacents soit du papier et elle peut être, par exemple, une autre matière cellulaire convenable telle qu'une étoffe tissée ou des fibres de verre tissées. Pour certaines applications, une fritte de verre peut convenir. 20 Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 03157 PSêUQï 7 2077629 REVENDICATIONS T -'Procédé de fabrication d'un ensemble thermo-électrique, caractérisé en ce qu'il consiste à assembler plusieurs éléments '''tliériao-éXectriques en intercalant entre les éléments adjacents une 5' matière "cellulaire électriquement isolante, à introduire un agent -i.-£•- , plastique , , de liaison durcissable pouvant subir un écoulement/a un stade prece- " daht le'"durcissement, à appliquer une pression à l'ensemble des éléments" pendant que l'agent de liaison peut subir un écoulement ""plastique" et" à maintenir la pression jusqu'à ce que cet agent de fO Xiaïsàn1ait" durci, la pression étant suffisante pour que la séparation 'des' éléments adjacents soit déterminée par la matière interca- t -"u.:■ T'j nBi-i-o:"'' lee sans variation incertaine due à la formation de pellicules intermédiaires de l'agent de liaison. J 2'- Ensemble thermo-électrique, caractérisé en ce qu'il est •'T5'Yéàris^'parole procédé selon la revendication 1. P j- vc, ^ r- r ^ 0* i r - 3 "Ensemble thermo-électrique selon la revendication 2, 'caractérisé en ce que les éléments thermo-électriques sont en une ""matière semi-conductrice à base de tellurure de bismuth alternati-vémérit du type P et du type N. 20 4 - Ensemble thermo-élëctrique selon la revendication 2 ou '3 'pour "batterie thermo-électrique, caractérisé en ce' que la dimension "des grains J'cie la matière constituant lea éléments thermo-électriques auj.vrs.?w!gt"inférieure à la dimension de section droite des éléments.