Brevet FR2137965A1 — publié le 19721229

17^78 i 2137965 La présente invention concerne un générateur therrao-électriquo formé de plusieurs thermocouples dont les branches, de conductibilité alternativement p et n, sont placées entre le boîtier d'une source radio-active de chaleur et un échangeur 5 thermique froid. On connaît par la prépublication de brevet allemand n° 1.539.313 un générateur thermo-électrique comportant un grand nombre de thermocouples dont les soudures chaudes sont reliées au boîtier d'une source radio-active de chaleur. Les branches des 10 divers thermocouples sont filiformes et leurs fils sont tressés en tissu. La source radio-active de chaleur est logée dans un boîtier en cylindre mince allongé dont c'est essentiellement la surface latérale qui rayonne la chaleur. Plusieurs de ces boîtiers cylindriques peuvent également être disposés parallèlement dans un même 15 carter. Les thermocouples formant treillis sont enroulés autour de la source de chaleur avec leurs soudures chaudes et froides respectivement à l'intérieur et à l'extérieur. Cette forme de réalisation concerne des thermocouples métalliques, mais ils ont, on le sait, un mauvais rendement. La chaleur étant essentiellement 20 rayonnée normalement à la surface latérale du boîtier cylindrique et les thermocouples enroulés formant un cylindre à peu près concentrique à ce dernier, une part importante de ladite chaleur s'écoule transversalement aux branches et n'est par conséquent pas utilisée à la production du courant. La structure de ce générateur thermo-25 électrique est en outre relativement compliquée. Le brevet allemand n° 1.539.274 décrit un générateur thermo-électrique composé d'éléments identiques entre eux. Chacun d'eux renferme une source de chaleur ayant approximativement la forme d'un cube sur quatre faces duquel sont disposées dans un 30 même plan, à raison d'une par face, quatre branches de thermocouple. On obtient ainsi des éléments relativement plats que l'on juxtapose en grand nombre, puis assemble par vissage. Ce générateur— thermo-électrique représente donc un volume relativement important. Un autre générateur thermo-électrique défini par le bre-35 vet suisse n° 502.677 comporte une source radio—active de chaleur dans un boîtier en forme de cube. Des thermocouples, dont les branches sont de préférence constituées par du séléniure de bismuth, Bi2Se2, sont placés sur les six faces du cube. Ils peuvent être réalisés par évaporation sous vide de la couche conductrice 40 sur un corps isolant, par exemple en verre. On peut également les COPY 72 17478 2 2137965 miniaturiser suivant la technique des microfilms. Mais si ces thermocouples doivent être agencés en éléments porteurs entre leurs côtés chaud et froid, il faut que leurs branches soient relativement épaisses afin d'être mécaniquement stables. 5 II a également été proposé, dans le brevet suisse n° 413.018, de rapporter les thermocouples sur un film plastique flexible en forme de bande agencé de façon particulière et d'enrouler cette bande en un cylindre creux en même temps qu'une couche intermédiaire isolante électrique. 10 On connaît par la notice publicitaire " Microgénérateurs thermo-électriques ALCATEL" de la société ALCATEL, Paris, une forme de réalisation de générateur thermo-électrique pour stimulateur cardiaque dans laquelle la source radio—active de chaleur, en forme de disque, est logée dans un boîtier cylindrique. Un module thermo-15 électrique approximativement parallélépipédique muni de thermocouples en tellurure de bismuth est inséré entre la surface formant le fond du cylindre et une plaque de base. On utilise comme source de chaleur environ 150 mg de plutonium sous la forme d'un alliage entouré d'un boîtier à double paroi en tantale et platine# Ce boî-20 tier cylindrique renferme, outre le plutonium, un volume libre dans lequel l'hélium produit lors de la fission s'assemble en évitant ainsi une trop forte montée de pression intérieure. Le module thermo-électrique est fixé par collage du côté chaud de ses branches au boîtier de la source de chaleur. La face froide du généra-25 teur thermo-électrique est constituée par une enveloppe métallique assurant l'évacuation de la chaleur et constituant en même temps une protection d'ensemble du générateur. Dans cette forme de réalisation, on n'utilise essentiellement que les surfaces de fond et de couvercle du boîtier cylindrique d'isotope.à l'évacuation de 30 la chaleur à travers le générateur. La chaleur rayonnée par les autres éléments de surface du cylindre relativement allongé ne peut pas être exploitée dans la conversion d'énergie par le générateur. L'invention a pour objet d'améliorer cette forme de réalisation connue de générateur à radio-isotope. Elle est basée 35 sur cette découverte de la demanderesse qu'une disposition particulière du boîtier de la source de chaleur peut permettre, en combinaison avec un agencement connu en soi des thermocouples, line bien meilleure exploitation de la chaleur produite et, par conséquent, une amélioration correspondante du rendement de l'ensemble 40 du dispositif. 72 17478 3 2137965 Le générateur thermo-électrique ainsi amélioré est caractérisé par le fait qu'il Comporte deux ensembles de thermocouples en couches minces, l'un et l'autre enroulés avec une couche intermédiaire isolante électrique, chacun en un cylindre creux, dont les 5 extrémités renfermant les côtés chauds des thermocouples fixent le boîtier de la source de chaleur. L'une au moins des deux branches de chaque therraocouple est avantageusement constituée par un matériau semi-conducteur et directement appliquée, notamment par éva— poration sous vide, sur la couche intermédiaire isolante, laquelle 10 sert alors de support aux thermocouples et assure en même temps la stabilité mécanique nécessaire. Les ponts des thermocouples peuvent être en métal, notamment en argent, tout au moins partiellement, ou également en matériau semi-conducteur. Dans chaque ensemble de thermocouples enroulé, l'extrémité sur laquelle se trouve le côté 15 chaud desdits thermocouples est appliquée sous bon contact thermique contre la surface du boîtier de la source de chaleur. Selon l'invention, ces extrémités et la surface du boîtier sont établies en sorte que celui-ci soit maintenu en position centrale entre les ensembles de thermocouples et que l'on soit assuré en même temps 20 d'une bonne évacuation de la chaleur dudit boîtier vers l'échan-geur thermique froid à travers les thermocouples. A cet effet, le boîtier de la source de chaleur peut constituer un co-rps de révolution dont la surface soit formée essentiellement par ses parties de fond et de couvercle, inclinées 25 par rapport à l'axe de révolution, chacune supportant l'extrémité de forme correspondante d'un des deux ensembles de thermocouples. Le boîtier est alors pincé entre ces extrémités. Ce même boîtier peut en outre comporter au moins une collerette annulaire sur chacune des faces planes de laquelle on 30 applique une extrémité d'un des deux ensembles de thermocouples. Le diamètre intérieur de ces ensembles est alors choisi en sorte que le boîtier soit enserré par eux. Si celui-ci est composé de deux parties identiques, chacune d'elles peut comporter une telle collerette. La partie du boîtier entourée par la collerette a 35 avantageusement la forme d'une calotte sphérique. Ledit boîtier peut aussi être constitué par deux cônes ou troncs de cône opposés par leur base. Les surfaces complétant de tels troncs de cône sont de préférence établies en calottes sphériques. Les éléments de surface du boîtier non recouverts par l'extrémité des ensembles 40 de thermocouples sont enveloppés d'un matériau calorifuge qui réduit 72 17478 4 2137965 fortement l'évacuation de la chaleur sur lesdits éléments. Les faces chaudes des ensembles de thermocouples sont appliquées respectivement contre le fond et le couvercle du boîtier et leurs thermocouples sont déposés, notamment par évaporation sous 5 vide, sur une feuille flexible en matériau électrique. L'une au moins des branches de chaque thermocouple est de préférence constituée par un matériau semi-conducteur, la branche de conductibilité n étant par exemple en antimoniure d'indium, In Sb. Les matériaux évaporés sous vide sont avantageusement recuits ensuite. Il est 10 également possible de constituer une seule des deux branches, par exemple celle de conductibilité p, par un matériau semi-conducteur, notamment de 1'antimoniure de zinc, Zn Sb, et la branche de conductibilité n par un autre matériau, par exemple du bismuth ou un composé qui en renferme, de préférence un alliage de tellurure de 15 bismuth. Le recuit consécutif à 1'évaporation sous vide détermine sur ces matériaux une modification de structure qui améliore notablement leurs propriétés thermo-électriques. Le support muni des thermocouples en film mince est ensuite enroulé en un cylindre creux 20 dont le diamètre extérieur est à peu près égal au diamètre du bord extérieur du boîtier d'isotope ou au diamètre extérieur de la collerette de celui-ci. On applique ensuite les faces chaudes des deux ensembles en cylindres creux du générateur contre le bord du fond et du couvercle du boîtier. La face froide opposée est en contact 25 thermique avec un échangeur de chaleur pouvant être constitué, au moins en partie, par un métal, par exemple de l'acier inoxydable. Ces surfaces de fond et de couvercle de l'ensemble du dispositif ayant par exemple la forme de disques et servant de faces froidess sont aussi réalisables en cuivre argenté ou doré. Le choix de ce 30 matériau ne présente aucun caractère critique. Il lui faut uniquement être conducteur de la chaleur comme de l'électricité, car il doit évacuer vers l'extérieur la chaleur que la source rayonne tant à travers les thermocouples que vers le matériau isolant thermique de remplissage. Une extrémité de chaque montage en série de 35 branches de thermocouple du générateur thermo-électrique est en outre reliée à l'une de ces surfaces de fond et de couvercle, l'autre extrémité étant sortie, sous isolation électrique, sur les-dites surfaces ou plutôt sur la surface latérale du générateur. Les plaques métalliques forment ainsi l'un des pôles dudit générateur, 40 l'autre étant constitué par la ligne électrique de sortie. Les 72 17478 5 2137965 plaques de fond et de couvercle peuvent aussi être reliées entre elles sous bonne conduction électrique et thermique. L'ensemble du boîtier forme alors l'un des pôles du générateur thermo-électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip-5 tion détaillée de deux modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequelt les figures 1 et 2 représentent en coupe axiale deux types de générateurs thermo-électriques selon ladite invention; la figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement 10 partiel, du générateur selon la figure 2. On voit sur la figure 1, comme source de chaleur, un émetteur radio—actif 2, de préférence du plutonium 238, dans un boîtier à double paroi composé de deux parties extérieures identiques 4 et de deux parties intérieures "également idëûtiquès"5jfÇar 15 exemple les premières en platine et les secondes en tantale, leur forme étant essentiellement conique en sorte qu'elles enserrent l'émetteur de rayonnement 2. Les sommets des cônes 4, 5 sont légèrement arrondis, les deux parties du boîtier étant ainsi réalisables d'une façon simple en un seul pressage. Sur chacune des par— 20 ties de fond et de couvercle 4 est appliquée une extrémité de même forme de l'un des deux ensembles enroulés de thermocouples 7 et 8. Les autres extrémités de ces ensembles 7 et 8 sont reliées par des segments 9 à des échangeurs thermiques froids 11 et 12 qui forment le couvercle et le fond de l'ensemble du dispositif et peuvent être 25 constitués par un matériau conducteur électrique et thermique, par exemple au moins en partie par un métal, de préférence de l'acier inoxydable -. Si le générateur thermo-électrique est destiné à alimenter en courant un stimulateur cardiaque, les échangeurs thermiques 30 froids 11 et 12 sont constitués par un matériau compatible avec le tissu du corps humain, par exemple de l'acier ou un alliage d'acier et d'aluminium. La partie latérale cylindrique du boîtier porte la référence 13. Des connexions électriques 16 et 17 réunissent en outre chacune une des extrémités du montage en série des thermocou-35 pies au fond ou au couvercle du dispositif. Les connexions électriques 20 et 21 formant l'autre pôle du générateur sont-sorties par une ouverture latérale de l'enveloppe 13 et reliées, extérieurement, à une borne commune 22. L'autre borne, reliée électriquement aux échangeurs thermiques froids 11 et 12, est désignée par la 40 référence 23. 72 17^78 6 2137965 Le diamètre intérieur des ensembles en cylindres creux 7 et 8 est choisi en sorte que le rayon de courbure de la feuille ne puisse encore créer aucun risque de rupture des ponts et branches des thermocouples. Cette disposition permet d'utiliser dans la 5 conversion d'énergie presque toute la chaleur rayonnée par la source 2. Suivant un agencement particulièrement avantageux du générateur thermo-électrique, les ensembles de thermocouples 7 et 8 sont enroulés à partir de supports qui présentent sur leurs deux faces 10 des thermocouples rapportés de préférence par évaporation sous vide ou encore par pulvérisation. On peut ainsi loger un plus grand nombre de thermocouples dans un enroulement de diamètres extérieur et intérieur donnés. On isole électriquement ces thermocouples par une couche intermédiaire lors de l'enroulement du support. Mais on 15 peut aussi bien appliquer sur les thermocouples de l'une au moins des deux faces un revêtement isolant électrique ou encore ne munir d'une couche de surface isolante que ceux des thermocouples qui renferment ou sont constitués par de l'oxyde de silicium. Il est enfin possible de munir les deux faces ou une seule d'une couche de vernis 20 isolant électrique. Il importe seulement d'empêcher tout contact électrique entre les thermocouples des différentes couches de l'enroulement terminé. Dans la forme de réalisation selon la figure 2, la source 25 de chaleur 2 est logée dans un boîtier approximativement sphérique 3 comportant deux parties intérieures 5 et deux parties extérieures 4 munies de collerettes 6 en contact mutuel par une de leurs faces planes. Ces collerettes sont avantageusement assemblées à demeure, par exemple par brasage ou soudage sur leur bord extérieur. Les par- 30 ties du boîtier entourées par les collerettes 6 sont réalisées de préférence en calottes sphériques ou hémisphères, car une sphère présente le meilleur rapport entre surface et volume. Il est en outre possible de faire de ces parties de boîtier des troncs de cône à surface de base commune ou surfaces de base tout au moins 35 tournées l'une vers l'autre, La surface complétant un tel tronc de cône peut être agencée elle aussi en calotte sphérique. Cette forme de réalisation offre l'avantage de diminuer l'encombrement en hauteur de tout le dispositif, car les enroulements en cylindres creux 7 et 8 des thermocouples ne sont séparés que par la relati-40 vement mince couche formée par les collerettes 6, si bien que la 72 17478 7 2137965 hauteur totale ne dépasse guère le double de la longueur des branches de thermocouple. Il suffit au fonctionnement du générateur qu'une seule des parties de boîtier 4 soit munie d'une collerette 6. 5 II peut également suffire, le cas échéant, qu'une seule des deux parties 4 et 5 du boîtier forme le volume de celui-ci, l'autre servant exclusivement de couvercle. Ce couvercle peut alors être agencé en disque. Il est cependant plus avantageux que les deux parties aient une surface bombée, car la chaleur rayonnée par les 10 éléments du boîtier voisins de la collerette 6 parvient ainsi encore aux branches des thermocouples, cela suivant les flèches indicatives que porte la figure. Cette partie de la chaleur est donc utilisée aussi dans la conversion d'énergie. L'émetteur 2 servant de source de chaleur peut revêtir 15 à peu près n'importe quelle forme. On y utilise de préférence le plutonium 238, car des blindages métalliques de quelques millimètres d'épaisseur suffisent déjà à freiner son rayonnement radioactif. Sa période dê radio-activité est d'environ 86 années. Un générateur muni d'une telle source de chaleur a par conséquent une 20 durée de vie-relativement longues elle représente au moins dix années. On peut cependant recourir à d'autres sources, par exemple à l'americium 241. On obtient un particulièrement bon rendement du générateur thermo-électrique selon l'invention en réalisant l'ensemble des 25 branches 9 et ponts 10 selon la figure 3 et de leur support par la technique des microfilms. Les branches et/ou les ponts sont apportés par évaporation sous vide, de préférence, ou par pulvérisation. Il vaut mieux recuire le matériau des branches, cela sur le support après l1évaporation sous vide, en vue d'en obtenir la mo— 30 dification de structure précitée. Le recuit donne le même effet favorable en cas'd'utilisation d'autres matériaux, par exemple d'antimoniure d'indium InSh. On peut en outre utiliser, comme matériau de branche, du tellurure de bismuth ou d'autres composés. On aboutit à des propriétés thermo-électriques particulièrement bonnes 35 au moyen de matériau semi-conducteur évaporé sous vide. 72 17478 8 2137965 REVENDICATIONS 1. Générateur thermo-électrique formé de plusieurs thermocouples dont les branches, de conductibilité alternativement p et n, sont placées entre le boîtier d'une source radio-active de chaleur 5 et un échangeur thermique froid, générateur caractérisé par le fait qu'il comporte deux ensembles de thermocouples en couches minces, l'un et l'autre enroulés avec une couche intermédiaire isolante électrique, chacun en un cylindre creux, la forme de leurs extrémités renfermant les côtés chauds des thermocouples et celle du boîtier 10 de la source de chaleur étant combinées en sorte que ce dernier soit fixé entre lesdites extrémités. 2. Générateur thermo-électrique selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le boîtier de la source de chaleur est constitué par un corps de révolution dont la surface de fond et la 15 surface de couvercle, inclinées par rapport à l'axe de révolution, sont reliées chacune, en contact thermique, aux côtés chauds des thermocouples. 3. Générateur thermo-électrique selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que le boîtier a essentiel— 20 lement la forme d'un double cône à surface de base commune. 4. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que le boîtier a essentiellement la forme de deux calottes sphériques à surface de base commune. 25 5. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que le boîtier présente une ou deux collerettes annulaires contre les faces planes desquelles les ensembles de thermocouples qui fixent ledit boîtier s'appliquent par une de leurs extrémités. 30 6. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que le boîtier de la source de chaleur est à double paroi et ses deux parties, intérieure et extérieure, sont constituées par des matériaux différents. 35 7* Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que dans chacun des thermocouples, une ou les deux branches ou les ponts ou encore les unes et les autres sont constitués par un matériau semi-conducteur appliqué sur un support isolant électrique par évaporation 40 sous vide ou pulvérisation. 72 17478 9 2137965 8» Générateur thermo-électrique selon la revendication 7 caractérisé par le fait que le support a la forme d'une bande et ses deux faces sont munies de thermocouples. 9» Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque 5 des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que la couche intermédiaire isolante est en oxyde de silicium» 10. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé par le fait que les deux branches des thermocouples ou une seule sont constituées par de 10 1'antimoniure de zinc. 11. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 caractérisé par le fait que les deux branches des thermocouples ou une seule sont constituées par de 1'antimoniure d'indium. £5 12. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 caractérisé par le fait que les deux branches des thermocouples ou une seule sont constituées par du tellurure de bismuth. 13. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque 20 des revendications 1 à 12 caractérisé par le fait que les échangeurs thermiques froids sont reliés par une partie de carter en matériau conducteur électrique et thermique. 14. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 destiné à alimenter en courant un stimu— 25 lateur cardiaque et caractérisé par le fait que les échangeurs thermiques froids sont constitués, en totalité ou en partie, par un alliage métallique compatible avec le tissu du corps humain.