Brevet FR2320637A1 — publié le 19770304

La présente invention concerne les convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique et a notamment pour objet une pile thermo-électrique àfflii minces. Il existe des piles thermo-électriques à films minces à deux hronchos constituées de filas de matériau semi-conducteur à conduction de types p et n, ces branches étant relides par des barres de commutation et connectées par leurs extrémités à des barres thermiques : à une barre chaude à l'une de leurs extrémité, et à une barre froide à leur autre extrémité. On observe dans une telle pile thermo-électrique un flux thermique transmis le long des branches de films de la pile thermo-électrique avec un très faible rapport Stl ou S est la surface de la section transversale de la branche, égale à b.h (ou' h est l'épaisseur du film mince en semi-conducteur de conduction da type p ou n, et b est la largeur dudit film) , k est la longueur du film mince formant la branche de la pile therio-électrique. -lFns les constructions existantes de piles thermoélectriques Q) b et h ; c'est pourquoi les flux de chaleur sont faibles et proportionnels à S/l , et pour cette raison la put électrique fournie par une telle pile hermo- électrique est très faible. Pour créer des piles thermo-eleetriques à films minces de grande puissance en partant de la conception- décrite, on peut suivre deux voies. Première voie : augmentation de la surface S de la section transversale des branches de la pile thermo-électrique, par exemple en utilisant dans chaque branche un nombre énorme de films minces mis en parallèle, d'où une augmentation de l'épaisseur totale b des films en semi-conducteur formant une branche de la pile thermo-électrique et un accroissement du flux de chaleur. Toutefois, cette voie présente des inconvénients considérables et exige un travail long et pénible. Seconde voie : disposition de barres thermiques au-dessus et au-dessous des films en semi-conducteur formant les branches de la pile thermo-électrique. Dans ce cas, le flux de chaleur passe perpendiculairement au plan du film et la différence de température est obtenue à une distance h correspondant à l'épaisseur de la pellicule,qui est très petite,comme on l-'a déjà dit.Pour le cas consi déré,le flux de chaleur Q est proportionnel au rapport h ,qui est très grand.Ceci aboutit à de grandes pertes de chaleur sur les barres de commutation,parce que la résistance thermique et électrique h du film mince est proportionnelle au rapport n , et est très pe- tite et comparable, dans ce cas,avec la résistance de contact thermique et électrique à l'endroit de connexion du film en semi-conducteur avec les barres de commutation L'invention vise à mettre au point une pile thermo-électriqi# à films minces,dont les branches seraient conçues de telle manière que lors de la transmission d'un flux thermique Q le rapport S/Q serait proche de l'unité, ce qui permettrait de fabriquer des piles thermo-e#ectriques de grande puissance et à pertes thermiques et électriques très faibles. Ce problème est résolu du fait que dans une pilet > #rmo--électri- que à films minces,dont chaque branche comporte un film mince de matériau semi-conducteur en contact avec une barre thermique chaude par l'une de ses surfaces,et avec une barre thermique froide par son autre surface,suivant l'invention le contact des barres.thermi- ques avec le film est réalisé par l'intermédiaire de bandes isolées en matériau conducteur de chaleur décalées l'une par rapport à l'autre des deux côtés du film. Il est avantageux de remplir les espaces entre ces bandes de contact avec un gaz inerte. Parmi les avantages de la pile thermo-électrique à films minces,objet de ltinvention,il faut mentionner la diminution notable des pertes thermiques et électriques en comparaison des piles thermo-électriques connues. Dans la pile thermo-électrique proposée dans laquelle y > x et y/h > 1 (où y est l'intervalle entre les bandes de contact,x est la largeur de celles-ci,h est l'épaisseur du film mince en semi-conducteur),le flux thermique et le courant électrique dans chaque branche de la pile thermo-électrique sont dirigés essentiellement le long du film perpendiculairement à la direction du flux et du courant dans les bandes de contact. Les parties du film mince situées entre les bandes de contact voisines sur ses deux surfaces opposées sont mis en parallèle suivant le flux thermique et le courant électrique. Le nombre total dqces parties mises en parallèles est égal à la somme de toutes les bandes de contact (supérieures et inférieures) et étant donné que leur nombre peut etre très grand, le flux thermique total peut être grand malgré la faible valeur de chaque flux thermique élémentaire, L'invention ressortira mieux d description, qui va suivre, d'exemples de réalisation concrets mais non limitatifs schématisés sur les dessins annexés qui-représentent - la figure 1 une branche de la pile thermo-électrique à film mince, selon l'invention (vue mn coupe transversale) - la figure 2 une vue en coupe d'une batterie de piles thermo-électriques à films minces conformes à l'invention, avec barres thermiques connectées. La branche de pile thermo-électrique à films minces représentée en coupe sur la figure 1 est un film mince 1 en matériau semi-conducteur de conduction du type n (pour une branche n) ou p (pour une branche p), dont une surface se trouve en contact avec une barre thermique chaude 2 et l'autre surface, avec une barre thermique froide 3, par l'intermédiaire de bandes de contact 4 et 5 séparées l'une de l'autre. Les bandes se trouvant sur les surfaces opposées du film étant décalées les unes par rapport aux autres. Lesdites bandes sont réalisées en matériau conducteur de chaleur et de courant électrique, par exemple en argent, en cuivre ou en aluminium. Sur la figure 1 y est l'espace entre les bandes de contact 4, 5 t x est la largeur des bandes de contact 4, 5. Les bandes de contact 4 et 5 sont appliquées de telle façon que y soit supérieur à x, et que le rapport y/h, où h est l'épaisseur du film 12 soit supérieur à l'unité. En mettant en série la branche n et la branche p, on obtient une pile thermo-électrique conforme à l'invention. Les pertes thermiques de la surface du film 1 diminuent sensiblement si les espaces entre les bandes de contact 4 et 5 sont remplies d'un gaz inerte, par exemple Ar. Dans ce cas, il faut fixer aux surfaces en bout de la pile# thermo-électrique des plaques 6. De telles piles thermo-électriques#connectées l'une à l'autre en série forment une batterie thermo-électrique calculée pour les courants forts. Bans le cas où il s'agit d'obtenir des tensions élevées avec de faibles courants et avec une différence de température déterminée, la batterie thermo-électrique peut etre réalisée comme représenté sur la figure 2. La batterie thermo-électrique à films minces comporte un support 7 sur lequel sont appliquées une série de piles thermoélectriques 8 mises en série à l'aide de barres de commutation 9. Chaque branche de la pile thermo-électrique 8 comprend deux films 10 d'un même type de conduction disposés de part et d'autre du support 7 l'une en face de l'autre, et reliés électriquement à l'aide d'une couche métallique 11 à l'intérieur des orifices 12 du support 7. Une telle batterie thermo-électrique à films minces se trouve en contact, d'un côté, avec une barre thermique chaude 2, et de l'autre côté, avec une barre thermique froide 3, le contact étant réalisé par l'intermédiaire de bandes de contact 13 et 14 décalées les unes par rapport aux autre d#e part et d'strie du support 7, lesdites bandes étant réalisées en matériau diélectrique bon conducteur de chaleur, par exemple en oxyde de béryllium ou en oxyde d'aluminium. Les bandes de contact 13 et 14 peuvent aussi entre métalliques revêtues d'un vernis électro-isolànt du côté du contact avec les barres thermiques 2 et 3. Les bandes 13 et 14 sont en contact avec chaque deuxième barre de commutation 9 d'un côté du support 7. La tension de cette batterie est prélevée sur des prises de courant 15 et 16. La pile thermo-électrique à fims minces dont chaque branche est réalisée d'après la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Lorsqu'on crée une différence de température entre les barres thermiques 2 et 3, il apparaît un flux thermique Q (figure 1) allant de la barre chaude 2 vers la barre froide 3 et divisé par les bandes de contact 4.A partir de chaque bande 4, le flux thermique Q se divise en deux flux élémentaires Q10 Dans chaque partie du film 1 située entre les bandes de contact 4 et 5 les plus proches,le flux élémentaire Q1 va le long du film 1 perpendiculairement au flux thermique Q dans les bandes de contact 4 et 5.Les parties du film 1 situées entre les bandes de contact ~4 et 5 les plus proches sont mises en-parallèle thermiquement aussi bien qu'électriquement,car toutes les bandes de contact 4 et 5 des deux côtés du film 1 sont reliées par des plaques métalliques constituant les barres thermiques 2 et 3.Le nombre total de toutes les parties mises en parallèle est égal à la somme de toutes les Àba#n#es de contact 4 et 5(supérieures et inférieures,selon le des sin). La batterie thermo-électrique à films minces,réalisée selon la i#gure-2;,fonctionne de la façon suivante.torsqu1 on crée une dif drence de température entre les barres thermiques 2 et 3,il appa raît un flux thermique Q allant de la barre chaude 2 vers la barre froide 3 et divieé,comme dans le cas précédent,par les bandes de contact 14;;à partir de ces bandes le flux thermique passe le long des branches de films 10 de la batterie thermo-électrique à films Toutes les branches de ladite batterie sont mises#électrique- -ment en série et la force électromotrice totale E de la batterie thermo-électrique à films minces répond à la formule E=(#p+/#n/). m2 AT, où il est le coefficient de la force thermoélectromotrice de la branche-p,o(n est le coefficient de la force thermoélectromotrice de la branche n,m est le nombre de branches de la batterie thermo électrique, ss T est la différence de température entre les barres thermiques 2 et 3. Cette formule ne tient pas compte des pertes de chaleur sur les bandes de contact 13 et 14, qui sont très faibles dans le cas considéré.Quand on branche la batterie thermo-électri que à films minces sur un circuit électrique,on prélève la tension sur les prises de courant 15 et 16. Bien entendu,l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés-qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.En particulier,elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs com binaisons,si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans la cadre des revendications qui suivent. REVENDICATI-ONS 1. Pile thermo-électrique à films minces, dont chaque branche comprend un film mince en matériau semi-conducteur dont l'une des surfaces est en contact avec une barre- thermique chaude, et l'autre surface, avec une barre thermique froide, caractérisée en ce que le contact des barres thermiques avec le film mince est réalisé par l'intermédiaire de bandes de contact en matériau conducteur de chaleur espacées l'une de l'autre et disposées de part et d'autre du film , les bandes se trouvant d'un côté de ce dernier étant décalées par rapport aux autres bandes, placées de l'autre côté dudit film. 2. Pile thermo-électrique à films minces, selon la revendication 1, caractérisée en ce que les espaces entre les hwffies de contact sont remplies d'un gaz inerte-.