Brevet FR2238252A1 — publié le 19750214

La présente invention a pour objet une pile thermo-électrique et un procédé pour la réalisation d'une telle pile et elle s'étend également aux flurmètres thermiques comportant une telle pile thermo-électrique. Il est courant d'utiliser, pour mesurer la différence de température entre deux surfaces, par exemple dans un calorimètre, des fluxmètres dont l'élément détecteur est constitué par une pile de thermo-couples en série, alternativement de types opposés. Pour assurer la mesure, les couples thermoélectriques d'un type sont maintenus en contact thermique avec l'une des surfaces et les couples de l'autre type avec l'autre surface et les extrémités du circuit de la pile sont reliées par un circuit extérieur pour mesurer les variations de courant dues à la force électro-motrice qui apparait aux bornes de-la pile par suite de la différence de température entre les deux surfaces. Les piles thermo-électriques classiques sont réalisées par enroulement du circuit préalablement formé et comportant les thermo-couples. La fabrication est complexe et minutieuse, en particulier du fait quril est difficile de placer les thermo-couples sur des génératrices définies. On se heurte ainsi à de graves difficultés dans l'application des thermo-couples sur les surfaces entre lesquelles on désire mesurer la différence de température, dtautant qu'il est nécessaire d'assurer un bon contact thermique entre chaque thermo-couple et ces surfaces. D'autres difficultés proviennent de la fragilité des piles ainsi réalisées. Ia présente invention vise essentiellement à s'affranchir des inconvénients des piles thermo-électriques antérieures en permettant en particulier une fabrication aisée conduisant à une réalisation solide et peu conteuse. La pile thermo-électrique selon l'invention se caractérise en ce qu'elle comprend un support isolant limité par deux faces opposées et percé d'une face à ltautre par deux séries d'orifices uniformément répartis sensiblement le long de deux lignes opposées, des fractions de circuits conducteur constituées par des couches minces qui sont réalisées en un premier matériau conducteur, chacune entre un orifice d'ordre n d'une première desdites lignes et un orifice d'ordre n de la seconde desdites lignes, sur une première desdites faces du support, et en un second matériau conducteur, chacune entre un orifice d'ordre n ladite première ligne et un orifice d'ordre n + 1 de ladite seconde ligne, sur la seconde des dites faces du support, et des moyens pour assurer la liaison électrique entre les fractions de circuit correspondantes à travers chacun desdits orifices. Les fractions de circuit sont avantageusement obtenues par l'une quelconque des techniques de sérigraphie applicables à la réalisation de circuits imprimés. En général, on réalise sur chaque face du support un dépat métallique continu auquel on fait ensuite subir une attaque acide en protégeant les zones destinées à constituer les fractions de circuit. Par les mêmes techniques de sérigraphie, on peut également former les fractions de circuit à partir d'une feuille métallique collée sur le support. Mais on peut aussi, bien que cela- soit en général moins avantageux, coller sur le support des bandes préalablement découpées dans des -feuilles métalliques. La liaison électrique entre les fractions de circuit à travers chaque orifice peut être réalisée par exemple par rivetage, par soudure ou par métallisation des orifices ou encore par toute autre technique analogue. Les orifices sont avantageusement répartis sur des lignes respectivement parallèles à des bords opposés du support propres à assurer un contact thermique avec respectivement deux éléments entre lesquels existe un flux thermique à mesurer. Toutefois, la disposition des orifices n'exige pas une grande précision et ils peuvent être distribués statistiquement au voisinage de ces lignes sans nuire à la mesure. Ces lignes sont de préférence rectilignes et parallèles entre elles et, d'autre part, les faces opposées du support sont avantageusement planes et parallèles. Selon un mode de réalisation préféré, la pile thermo-électrique selon l'invention se présente ainsi sous forme d'une plaquette rectangulaire dont la partie centrale comporte les dépôts conducteurs, ou autres couches conductrices, formant les fractions de circuit, entre les deux séries d'orifices. Une telle plaquette. est facile à manipuler et à utiliser puisque les thermo-couples se trouvent en retrait par rapport aux bords de la plaquette et ainsi protégés. La pile thermo-électrique selon l'invention est particulièrement destinée à être utilise dans un fluxmètre où elle est associee à des moyens permettant de mesurer directement la force électro-motrice apparaissant aux bornes du circuit formé par la pile. Le fait que le circuit de la pile, réalisé par des dépôts en couches minces, présente une résistance électrique relativement élevée ne constitue pas un inconvénient. Le circuit extérieur reliant les extrémités du circuit formé par la pile peut présenter une impédance correspondante, par exemple de l'ordre de mille ohms au moins.Dans ce cas, en effet, et contrairement aux piles thermo-électriques antérieures, le transfert thermique entre les deux éléments dont on cherche à mesurer la différence de température s'effectue par l'intermédiaire du support de la pile et non pas par conduction dans des fils reliant les thermo-couples. Cette conception permet en outre de s'affranchir des exigences des piles antérieu res sur la réalisation du contact thermique avec les thermo-couples puisque la mesure du flux peut s'effectuer sur une partie seulement du trajet de transfert thermique à travers le support. Naturellement, lorsqu'il est question ici de flux et de transfert thermique entre deux éléments respectivement en contact avec les bords opposés du support de la pile, il doit être entendu que ce flux peut être nul, ce qui peut être en particulier le cas lorsque le fluxmètre est appliqué à une mesure de température impliquant l'annulation de la différence de température entre les deux éléments. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ciaprès qui concerne un mode de réalisation particulier de la pile thermoélectrique choisi à titre d'exemple non limitatif. Cette description se refère à la figure unique jointe qui représente schématiquement la pile thermo-électrique décrite. Cette pile se présente sous la forme d'une plaquette plane de forme rectangulaire qui est constituée par un-support isolant sur lequel est formé un circuit conducteur comportant des thermo-couples en série. Le support 1, réalisé en matière plastique ou en un autre matériau non conducteur de I'electrlcité, est limité par deux faces planes opposées 2 et 3. Les bords du support 4 et 5, qui sont droits et parallèles entre eux, sont destinés à être appliqués respectivement contre deux éléments entre lesquels existe un flux thermique que l'on désire mesurer. Le support est par ailleurs percé d'orifices tels que 6 et 7qui sont disposes en retrait par rapport aux bords 4 et 5 et uniformément répartis approximativement selon deux lignes rectilignes et parallèles à ces bords. Conne on le verra par la suite, le circuit de la pile est constitué dans la ~partie centrale de la plaquette entre ces deux lignes. Sur une première de ses faces, soit la face antérieure 2 de la figure, le support 1 5comporte des fractions de circuit conducteur qui sont constituées par des dép8ts métalliques superficiels 8, distincts les uns des autres et s'étendant chacun en ligne droite d'un orifice 6 de la-ligne d'orifices situ8e près du bord 4 à un orifice 7 de la ligne d'orifices située près du bord 5. A chaque extrémité, le dépôt métallique entoure les bords de l'orifice correspondant. D'une manière analogue, la face opposée 3 du support comporte des fractions de circuit conducteur constituées par des d8p8t métalliques superficiels 9 s'étendant chacun d'un orifice de l'une des lignes à un orifice -de l'autre ligne. Mais de plus, ces dépôts conducteurs sont réalisés en un métal différent de celui qui constitue les dép8ts conducteurs de la face 2 et ils sont inclinés en sens inverse. En d'autres termes, les fractions de circuit de la face 2 relient chacun un orifice d'une ligne d'ordre n à un orifice de la ligne opposée égalemen-t d'ordre n, tandis que sur la face opposée 3, chaque fraction de circuit relie un orifice d'ordre n de la première ligne à un orifice d'ordre n + 1 de la seconde ligne. Le circuit de la pile est compléta en assurant à travers chaque orifice une liaison électrique entre les extrémités des fractions de circuit correspondantes. Du fait que les dépôts conducteurs sont réalisés en des matériaux différents respectivement sur chacune des faces du support, on réalise ainsi un couple thermo-électrique au niveau de chacun des orifices. La liaison électrique à travers chaque orifice peut être réalisée par exemple. par rivetage. La pile comporte en outre des bornes de raccordement à un circuit extérieur de mesure, respectivement à chacune des extrémités du circuit ainsi formé entre les thermo-couples, l'une sur la face 2, l'autre sur la face 3. Les fractions de circuit sont faciles à réaliser sur chaque face par les techniques de sérigraphie appliquées à la formation des circuits imprimes. En général, on appose sur chaque face du support une couche métal lique continue, par exemple soit en réalisant un dépôt métallique superficiel, par dépit galvanique, pulvérisation au pistolet ou métallisation sous vide, soit en collant une- feuille métallique mince, on applique un vernis prote teur sur le trajet déterminé pour constituer chaque fraction de circuit'et l'on élimine les parties non protégées de de"la couche continue par une attaque acide. La conception de la pile selon l'invention permet ainsi une réalisation particulièrement aisée à partir de deux dépôts conducteurs (ou feuilles conductrices) constitué5 en métaux différents, respectivement sur chaque face du support. La place des thermo-couples est définie avant même 1a réalisation des dépôts par la position des orifices préalablement percés dans le support. Les jonctions thermo-électriques sont également faciles à realiser. Elles peuvent être obtenues comme on l'a déjà indiqué par des rivets mis en place dans les orifices après la réalisation des fractions de circuits, ce qui a l'avantage de conduire à une réalisation particulièrement robuste. Mais d'autres moyens peuvent être utilisés en variante pour réaliser la liaison électrique à travers chaque orifice. On peut ainsi citer les liaisons par soudure ou la métallisation des orifices eux-mêmes. Dans une réalisation particulière de la pile décrite, le support isolant est en un matériau composite de fibres de verre et de résine époxyde, et lesfractions de circuit, -sous forme de couches métalliques minces collées sur le support, sont constituées sur une face de constantan, et sur l'autre face de cuivre ou drun alliage comprenant 80% en poids de nickel pour 20% en poids de chrome. Ces matériaux sont apparus particulièrement bien adaptés pour remplir les rôles revenant respectivement au support et aux fractions de circuit dans la pile thermo-électrique selon l'invention, tout en évitant de poser des problèmes de dilatation différentielle en fonctionnement. Naturellement, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier ci-dessus décrit à titre d'exemple. En particulier les bords du support ont été représentés plans, mais ils sont avantageusement formés selon une surface réglée adaptée à la surface avec laquelle doit être assuré le contact thermique. REVENDICATIONS 1 - Pile thermo-électrique caractérisée en ce qu'elle comprend un support isolant limité par deux faces opposées et percé d'une face à l'autre par deux séries dttorifices uniformément répartis sensiblement le long de deux lignes opposées, des fractions de circuit conducteur constituées par des couches minces, qui sont réalisées en un premier matériau conducteur, chacune entre un orifice d'ordre n d'une première desdites lignes et un orifice d'ordre n de la seconde desdites lignes, sur une première desdites faces du support, et en un second matériau conducteur, chacune entre un orifice d'ordre n de ladite première ligne et un orifice dordl n + 1 de ladite seconde ligne, sur la sec-onde desdites faces du support, et des moyens pour assurer la liaison électrique entre les fractions de circuit correspondantes à travers chacun desdits orifices. 2 - Pile thermo-électrique selon,a revendication 1, caractérisée encre que lesdites lignes d'orifices sont respectivement parallèles à des bords opposés du support propres à assurer un contact thermique avec respectivement deux éléments entre lesquels existe un flux thermique à mesurer. 3 - Pile thermo-électrique selon la revendication 1 ou 2, carac -térisée en ce que lesdites lignes sont parallèles entre elles. 4 - Pile thermo-électrique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdites lignes sont rectilignes. 5 - Pile thermo-électrique selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisée en ce que les fractions de circuit de chaque face sont parai- lèles entre elles. 6 - Pile thermo-électrique selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites faces opposées du support sont planes et parallèles. 7 - Pile thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens de liaison électrique à travers chaque orifice sont constitués par des rivets métalliques. 8 - Pile thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les fractions de circuit sont constituées par des bandes de feuilles métalliques collées sur le support. 9 - Pile thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le support est en matériau composite de fibres de verre et résine époxyde, et les fractions de circuit respectivement en constantan et en cuivre ou en alliage nickel-chrome. 10 - Procédé de réalisation d'une pile thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites fractions de circuit sont obtenues à partir de feuilles métalliques collées sur le support ou de dépôts métalliques, selon l'une quelconque des techniques de sérigraphie applicables à la réalisation de circuits imprimés. Il - Fluxmètre thermo-électrique, caractérisé en ce qutil comporte une pile thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications I à 9. 12 - Fluxmètre selon la revendication 11, caractérisé en ce que les extrémités du circuit de la pile formé par l'ensemble des fractions de circuit reliées à travers les orifices, sont reliées par un circuit électrique extérieur comportant des moyens de mesure dlune force électromotrice apparaissant entre lesdites extrémités.