Brevet FR2791813A1 — publié le 20001006

Convertisseur thermoélectrique et machine de fabrication de ce convertisseur L'invention concerne un convertisseur thermo- électrique comprenant un bloc de matière isolante, une pluralité de fils électriquement conducteurs de deux natures différentes qui s'étendent à l'intérieur du bloc entre deux faces de celui-ci et qui sont réunis deux à deux en série à leurs extrémités en formant des jonctions chaudes sur une face du bloc et des jonctions froides sur une autre face du bloc, l'ensemble des fils ainsi réunis constituant une boucle ouverte. Ce convertisseur produit une tension électrique aux bornes de la boucle ouverte quand ses jonctions chaudes sont exposées à une source de chaleur et que ses jonctions froides sont maintenues à une température inférieure à celle de ses jonctions chaudes, la puissance électrique générée étant fonction du nombre de jonctions chaudes et froides et de la différence de température entre les jonctions chaudes et les jonctions froides. On a déjà proposé d'associer ces convertisseurs à des lampes-tempête ou lampes à pétrole, du type utilisé par une part importante de la population mondiale, pour alimenter électriquement des récepteurs radio à transistors quand les jonctions chaudes du convertisseur sont chauffées par la flamme de la lampe. Les techniques connues de fabrication de ces convertisseurs ont essentiellement consisté jusqu'à présent à souder en série, à leurs extrémités, des fils de deux natures différentes de façon à former une boucle ouverte comportant un grand nombre de jonctions froides et de jonctions chaudes, puis à enrober ou noyer cet ensemble de fils dans une matière thermiquement et électriquement isolante en formant un bloc de cette matière, de telle sorte que les jonctions chaudes se trouvent sur une face du bloc et les jonctions froides sur une autre face. Ces techniques n'ont toutefois pu être industrialisées car il s'est révélé difficile de souder entre eux les fils de façon suffisamment rapide et précise, essentiellement parce que ces fils io sont libres quand ils doivent être soudés, et il s'est également révélé difficile de noyer ou d'enrober les fils ainsi soudés dans une matière isolante tout en les maintenant dans une configuration souhaitée. C'est notamment pour ces raisons qu'il n'a pas été possible jusqu'à présent de produire en série, à faible coût, des convertisseurs thermoélectriques présentant les performances souhaitées de génération d'une puissance électrique. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, satisfaisante et efficace à ce problème. Elle a pour objet un convertisseur thermo- électrique du type précité, qui puisse être fabriqué en grande série, à faible coût et avec une grande fiabilité. Elle a également pour objet un convertisseur thermoélectrique de ce type, qui soit utilisable en association avec des lampes-tempête ou des lampes à pétrole par exemple pour l'alimentation de récepteurs radio à transistors, ou avec d'autres sources de chaleur, par exemple dans des systèmes de chauffage à énergie solaire. L'invention a encore pour objet un convertisseur thermoélectrique de ce type, dont la fabrication puisse être facilement automatisée. Elle propose, à cet effet, un convertisseur du type précité, caractérisé en ce que le bloc de matière isolante est traversé par une pluralité de canaux parallèles s'étendant d'une face à l'autre du bloc et dans chacun desquels est logé un fil précité dont une extrémité est réunie à l'extérieur du bloc à une extrémité d'un autre fil logé dans un canal volsin. L'invention se distingue donc de la technique antérieure en ce qu'elle utilise un bloc préfabriqué de matière isolante, comportant une pluralité de canaux parallèles dans chacun desquels est introduit un fil électriquement conducteur, les extrémités des fils dépassant à l'extérieur du bloc sur deux faces opposées de celui-ci pour être réunies deux à deux en série de la façon souhaitée. Les problèmes relatifs à la fabrication du bloc de matière isolante sont ainsi dissociés des autres problèmes et peuvent être résolus indépendamment, de façon plus simple. Ensuite, il suffit d'introduire des fils dans les canaux du bloc et de souder chaque fil à l'extrémité d'un autre fil, sur une face extérieure du bloc. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le bloc est en céramique et les canaux précités sont identiques les uns aux autres et sont délimités par des parois d'épaisseur sensiblement constante. Avantageusement, ces canaux ont en section la forme d'un quadrilatère, par exemple d'un carré. Une telle configuration est avantageuse à la fois en ce qui concerne la fabrication du bloc et en ce qui concerne la disposition des fils dans les canaux du bloc. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque fil comprend des moyens de positionnement et d'immobilisation dans un canal du bloc précité. Dans un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention, ces moyens de positionnement et d'immobilisation sont formés par au moins un coude ou une ondulation du fil ayant une amplitude transversale au moins égale à une dimension transversale maximale du canal. Chaque fil peut ainsi être immobilisé en précontrainte élastique dans un canal du bloc et est automatiquement positionné et orienté de la façon voulue par rapport au bloc. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, chaque fil comprend une extrémité coudée à angle droit, destinée à être reliée à une extrémité non coudée d'un fil voisin de nature différente. Cette extrémité coudée du fil vient s'appliquer automatiquement, par introduction du fil dans le canal du bloc, sur l'extrémité non coudée d'un fil voisin, ce qui facilite ensuite la soudure des deux fils à cet endroit. Les faces du bloc qui comprennent les jonctions des fils précités sont recouvertes chacune d'une couche de matière thermiquement conductrice et électriquement isolante qui obture les canaux précités et empêche une circulation d'air dans ces canaux. Eventuellement, la matière recouvrant les jonctions froides est élastiquement déformable, ce qui permet d'absorber les dilatations thermiques différentielles entre les fils et le bloc de matière isolante. L'invention propose également une machine de fabrication d'un convertisseur thermo-électrique du type décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'elle comprend: - des moyens de tenue et de maintien du bloc de matière isolante, - au moins deux moyens d'amenée de fil, situés de part et d'autre du bloc, - au moins deux ensembles d'outils de mise en forme, de coupe et d'introduction des fils dans les canaux du bloc, chaque ensemble se trouvant entre un moyen d'amenée de fil et une face précitée du bloc, - des moyens de déplacement pas à pas du bloc dans deux directions perpendiculaires correspondant aux directions des rangées et des colonnes de canaux dans le bloc, - un poste de soudure des extrémités des fils, ce poste comprenant au moins un générateur laser et des moyens de balayage par déviation du faisceau laser, - et des moyens de traitement de l'information reliés à des moyens de repérage des positions des canaux sur les faces du bloc et à des moyens de commande des ensembles d'outils, des moyens de déplacement du bloc, du générateur laser et des moyens de balayage. Avantageusement, les moyens précités de repérage des positions des canaux comprennent au moins une caméra numérique. Les images fournies par cette caméra permettent aux moyens de traitement de l'information de commander avec une grande précision les déplacements du bloc par rapport aux moyens d'introduction des fils, et également de commander avec précision les moyens de soudure des fils, notamment les moyens de déviation du faisceau laser. Une telle machine permet par exemple de fabriquer un convertisseur thermo-électrique comprenant environ 250 jonctions chaudes et 250 jonctions froides en moins de trois minutes quand six fils sont introduits simultanément sur les deux faces du bloc (les temps de fabrication du bloc de matière isolante et de revêtement des jonctions chaudes et des jonctions froides sur les faces du bloc après soudure n'étant pas comptés). L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci s15 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une extrémité d'un bloc de matière isolante selon l'invention; - la figure 2 est une demi-vue de côté et une demi-vue en coupe axiale du bloc de la figure 1; - la figure 3 est une vue partielle agrandie représentant des fils de matière conductrice montés dans les canaux du bloc des figures 1 et 2; - les figures 4 et 5 représentent schématiquement des parties essentielles d'une machine de fabrication selon l'invention. On a représenté schématiquement aux figures 1 et 2 un bloc de matière isolante selon l'invention, qui est réalisé par extrusion ou par moulage puis par cuisson, ce bloc 10 étant un tronçon de cylindre à section octogonale dans l'exemple représenté, mais pouvant avoir une section d'une autre forme, par exemple carrée ou autre. Le bloc comprend une pluralité de canaux 12 identiques et parallèles qui sont agencés en rangées et en colonnes perpendiculaires entre elles, chaque canal 12 s'étendant longitudinalement d'une face d'extrémité à l'autre du bloc 10 et étant délimité par des parois 14 d'épaisseur sensiblement constante sur toute l'étendue du bloc. Les canaux 12 ont en section la forme d'un quadrilatère, de préférence d'un carré, une telle section facilitant le positionnement et l'orientation des fils conducteurs dans les canaux, comme on le verra ci-dessous. L'épaisseur constante des parois 14 qui délimitent les canaux 12 permet de conserver, au refroidissement du bloc 10 après cuisson, une disposition régulière des canaux et d'éviter des distorsions et déformations du bloc qui pourraient être relativement importantes, la cuisson de la céramique ayant lieu à une température d'environ 1200 C et le retrait au refroidissement étant élevé, de l'ordre de 15 %. Une épaisseur réduite des parois 14 et la constance de cette épaisseur dans tout le bloc sont des facteurs permettant de garantir l'obtention de blocs 10 ayant des formes sensiblement identiques et régulières après refroidissement. Pour fixer les idées, on indiquera que dans un exemple de réalisation, le bloc 10 des figures 1 et 2 a une longueur de l'ordre de 50 millimètres, une dimension transversale de l'ordre de 40 millimètres (dimension entre deux côtés axialement opposés de la section transversale) et comporte environ 500 canaux délimités par des parois ayant une épaisseur d'environ 0,5 millimètre, ces canaux ayant une section interne d'environ 1 mm2. Comme on l'a représenté à très grande échelle en figure 3, ces canaux 12 sont destinés à recevoir des fils métalliques 16, 18 de deux natures différentes, qui sont réunis en série à leurs extrémités comme représenté. Chaque canal 12 reçoit un fil 16 ou 18 d'une première nature (par exemple un alliage nickel- chrome) et un canal 12 adjacent reçoit un fil 18 ou 16 d'une autre nature (par exemple un alliage cuivre- nickel) et ainsi de suite. Les fils 16, 18 ont des dimensions et des formes identiques et sont introduits par translation dans les canaux 12 dans un sens pour les fils 16 et dans le sens opposé pour les fils 18. Au moins un coude ou une ondulation 20 est formé sur chaque fil 16, 18 et sert de moyen de positionnement, de maintien et d'orientation du fil dans le canal 12 correspondant, chaque coude ou ondulation 20 ayant une amplitude telle qu'il ne peut se loger qu'en diagonale dans le canal 12, le sommet du coude venant en appui dans l'angle formé par deux parois 14 du canal 12 tandis que le reste du fil 16, 18 vient en appui dans l'angle formé par les deux autres parois 14 de ce canal. De préférence, chaque fil 16, 18 comprend deux coudes ou ondulations 20, formés à faible distance de ses extrémités, dans la même direction par rapport à l'axe longitudinal du fil, l'un des coudes 20 ayant une amplitude transversale légèrement supérieure à celle de l'autre coude. Une extrémité 22 de chaque fil est pliée à angle droit, par exemple dans la même direction que les coudes ou ondulations 20 comme représenté en figure 3, ou bien dans une autre direction, fixe par rapport au plan défini par le fil et son ou ses coudes 20, l'extrémité pliée 22 d'un fil 16 (ou 18) ayant une longueur suffisante pour venir recouvrir l'extrémité non pliée d'un fil 18 (ou 16) se trouvant dans un canal 12 voisin. Avantageusement, la partie de l'extrémité 22 qui vient s'appliquer sur l'extrémité de l'autre fil est aplatie comme représenté en 24, ce qui lui donne une épaisseur plus faible et augmente sa surface en io contact avec l'extrémité de l'autre fil et facilite ainsi leur soudure l'une sur l'autre par des impulsions laser (soudure par "transparence"). Dans l'exemple de réalisation cité plus haut o les canaux 12 ont des dimensions en section d'environ 1 mm-, les fils 16, 18 utilisés ont un diamètre de 0,6 millimètre, les diagonales des canaux 12 ont une longueur de 1,4 millimètre environ et les extrémités repliées 22 des fils 16, 18 ont une longueur d'environ 2,8 millimètres. Les fils 16, 18 sont montés dans les canaux 12 du bloc 10 au moyen d'une machine telle que celle représentée schématiquement en figure 4. Cette machine comprend un cadre 26 dans lequel le bloc 10 est monté et fixé de façon très précise, le cadre 26 comprenant par exemple des moyens de serrage et d'appui sur des faces planes 28 du bloc 10 (figure 1) et étant lui-même associé à des moyens 30, 32 de déplacement pas à pas dans deux directions perpendiculaires, telles que celles représentées par les flèches en figure 4, correspondant aux directions des rangées et des colonnes formées par les canaux 12 dans le bloc 10. De part et d'autre du bloc 10 et en face des extrémités des canaux 12 se trouvent deux ensembles 34 de mise en forme, de coupe et de pose des fils 16, 18 alimentés en fil par des moyens 36, tels que des bobines, des dévidoirs, des goulottes d'alimentation de tronçons de fils, etc., les moyens 34 étant conçus pour former les coudes ou ondulations 20 dans chaque tronçon de fil 16, 18, plier une extrémité 22 de chaque tronçon de fil et pousser le tronçon de fil dans un canal 12 du bloc 10 jusqu'à ce que l'extrémité repliée 22 du tronçon de fil se trouve à une distance prédéterminée de la face d'extrémité correspondante du bloc 10. Lorsqu'un tronçon de fil 16 a été introduit d'un côté du bloc 10 dans un canal 12 et qu'un tronçon de fil 18 été introduit de l'autre côté du bloc 10 dans un autre canal 12, le support 26 est déplacé d'un pas dans une direction ou dans l'autre par les moyens 30, 32, puis des tronçons de fil 16, 18 sont introduits dans deux canaux 12 depuis les deux extrémités du bloc 10, et ainsi de suite. De préférence, pour augmenter la cadence de fabrication, chaque ensemble 34 est conçu pour introduire simultanément plusieurs tronçons de fil 16, 18 dans des canaux du bloc 10, après quoi les moyens 30, 32 sont commandés pour déplacer le bloc 10 d'un nombre de pas approprié dans une direction et/ou dans l'autre. Quand chaque tronçon de fil 16, 18 comprend deux coudes 20 d'amplitude transversale légèrement différente, le coude 20 voisin de l'extrémité non repliée a l'amplitude la plus faible et est introduit le premier dans un canal 12 du bloc 10 et sert à positionner le tronçon de fil en diagonale dans le canal 12. L'autre coude 20 voisin de l'extrémité repliée 22 est introduit en second dans le canal 12 et son amplitude transversale légèrement supérieure il permet d'immobiliser le tronçon de fil en précontrainte élastique dans le canal 12. Le positionnement longitudinal des fils dans les canaux 12 est suffisamment précis pour que les extrémités repliées 22 des fils 16, 18 soient en appui sur les extrémités non repliées des fils voisins comme représenté en figure 3, les fils étant maintenus dans cette position en raison de leur précontrainte élastique à l'intérieur des canaux 12. Les contacts des extrémités des fils entre elles sont suffisants pour que l'on puisse vérifier la bonne disposition des fils dans les canaux 12 par contrôle de la continuité électrique: on peut pour cela contrôler le passage d'un courant électrique entre les deux bornes de l'ensemble des fils ou vérifier la résistance électrique de l'ensemble des fils, etc. Les moyens 34 de pose des fils dans les canaux du bloc 10, les moyens 30, 32 de déplacement du support 26 du bloc 10, les moyens 36 d'alimentation en fil sont commandés par des moyens 38 de traitement de l'information associés à au moins une caméra vidéo numérique 40 prenant des images d'une face d'extrémité du bloc 10. Ces images sont traitées pour déterminer avec précision les positions des extrémités des canaux 12 les unes par rapport aux autres et donc permettre une pose précise de fils 16, 18 dans les canaux. Quand tous les fils 16, 18 sont en place dans les canaux du bloc 10, le bloc 10 avec éventuellement son support 26 est transféré à un poste de soudure représenté schématiquement en figure 5. Ce poste comprend essentiellement un générateur laser 42, par exemple du type YAG d'une puissance de W fonctionnant par impulsions à une fréquence de 50 Hz et associé à des moyens de balayage par déviation, tels que des miroirs galvanométriques 44. Le faisceau laser produit par le générateur 42 est ainsi dirigé sur la partie aplatie 24 d'une extrémité recourbée 22 d'un fil 16, 18 pour souder "par transparence" cette partie 24 sur l'extrémité droite du fil sur lequel elle est en contact. La soudure peut se faire en trois points sur la partie 24, les positions de ces trois points étant déterminées avec précision à partir de la position de l'axe central d'un canal 12, par exemple. Des moyens de traitement de l'information 46 associés à une caméra vidéo numérique 48 visant la face d'extrémité correspondante du bloc 10 sont utilisés pour commander le générateur laser 42 et les moyens de balayage 44. Lorsque toutes les soudures nécessaires ont été effectuées sur les deux faces du bloc 10, celui-ci est amené à un autre poste, o ses deux faces d'extrémité sont recouvertes d'une couche d'une matière thermiquement conductrice et électriquement isolante appropriée. La face du bloc 10 portant les jonctions chaudes (celles destinées à être exposées à une source de chaleur) peut être recouverte d'une couche mince de vernis ou d'émail résistant à des températures élevées, par exemple de l'ordre de 900 à 950 C. L'autre face d'extrémité du bloc 10 portant les jonctions froides peut être revêtue d'une couche d'une matière électriquement isolante et élastiquement déformable, telle qu'une colle silicone par exemple, ayant une bonne conduction thermique et permettant d'absorber par déformation élastique une dilatation thermique différentielle entre les fils 16, 18 et le bloc 10 de matière isolante. On peut prévoir par exemple que les soudures des extrémités des fils 16, 18 formant les jonctions chaudes sont sensiblement au contact de la face d'extrémité du bloc 10 tandis que les extrémités opposées de ces fils, formant les jonctions froides, sont écartées de la face d'extrémité correspondante du bloc 10 d'une distance de quelques millimètres (par exemple 2 à 4 millimètres), ce qui facilite et améliore le refroidissement des jonctions froides et favorise également leur connexion à des moyens d'évacuation de io chaleur du type radiateur ou autre. Les moyens qui viennent d'être décrits permettent de fabriquer des convertisseurs thermo- électriques comprenant environ 250 jonctions froides et 250 jonctions chaudes et générant une tension électrique d'environ 6 volts avec une intensité suffisante pour l'alimentation d'un récepteur radio à transistors, quand les jonctions chaudes de ces convertisseurs sont chauffées par la flamme d'une lampe-tempête ou analogue. REVEND I CATIONS 1 - Convertisseur thermoélectrique, comprenant un bloc (10) de matière isolante, une pluralité de fils (16, 18) électriquement conducteurs de deux natures différentes qui s'étendent à l'intérieur du bloc entre deux faces de celui-ci et qui sont réunis deux à deux en série à leurs extrémités en formant des jonctions chaudes sur une face du bloc et des jonctions froides sur une autre face du bloc, l'ensemble des fils ainsi réunis constituant une boucle ouverte, caractérisé en ce que ledit bloc (10) est traversé par une pluralité de canaux parallèles (12) s'étendant d'une face à l'autre du bloc et dans chacun desquels est logé un fil (16 ou 18) précité dont une extrémité est réunie à l'extérieur du bloc (10) à une extrémité d'un autre fil (18 ou 16) logé dans un canal (12) voisin. 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (10) est en céramique et les canaux (12) précités sont identiques et délimités par des parois (14) ayant sensiblement une même épaisseur sur toute l'étendue du bloc. 3 - Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux (12) ont en section la forme d'un quadrilatère, par exemple d'un carré. 4 - Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (12) sont agencés en rangées et en colonnes équidistantes dans le bloc (10). - Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque fil (16, 18) comprend des moyens (20) de positionnement et d'immobilisation dans le canal (12) dans lequel il est logé. 6 - Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de positionnement et d'immobilisation sont formés par au moins un coude ou une ondulation (20) du fil, ayant une amplitude transversale au moins égale à une dimension transversale maximale du canal (12). 7 - Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque fil (16, 18) comprend deux coudes (20) formés au voisinage de ses extrémités et ayant des amplitudes transversales légèrement différentes, le coude (20) introduit en premier dans un canal (12) ayant l'amplitude la plus faible. 8 - Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque fil comprend une extrémité (22) coudée sensiblement à angle droit, reliée à une extrémité non coudée d'un fil voisin de nature différente. 9 - Convertisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins une partie (24) de l'extrémité coudée (22) du fil (16, 18) est aplatie et soudée sur l'extrémité d'un fil voisin. - Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces du bloc (10) comportant les jonctions des fils -16 (16, 18) sont recouvertes d'une couche de matière thermiquement conductrice et électriquement isolante qui obture les canaux précités. 11 - Convertisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matière recouvrant les jonctions froides est élastiquement déformable. 12 - Machine de fabrication d'un convertisseur thermoélectrique du type décrit dans l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend: - des moyens (26) de support et de tenue du bloc (10), au moins deux moyens (36) d'amenée de fil, situés de part du bloc (10), au moins deux ensembles (34) d'outils de mise en forme, de coupe et d'introduction des fils (16, 18) dans les canaux (12) du bloc (10), chaque ensemble (34) se trouvant entre un moyen (36) d'amenée de fil et une face d'extrémité du bloc, - des moyens (30, 32) de déplacement pas à pas du bloc dans deux directions perpendiculaires correspondant aux directions des rangées et des colonnes de canaux (12) dans le bloc, - un poste de soudure des extrémités des fils, ce poste comprenant au moins un générateur laser (42) et des moyens (44) de balayage par déviation du faisceau laser, - et des moyens (38, 46) de traitement de l'information reliés à des moyens (40, 48) de repérage des positions des canaux sur les faces du bloc (10) et à des moyens de commande des ensembles d'outils (34), des moyens (30, 32) de déplacement du bloc, du générateur laser (42) et des moyens de balayage (44). 13 - Machine selon la revendication 12, caractérisée en ce que les moyens précités de repérage comprennent au moins une caméra numérique (40, 48). 14 - Machine selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle comprend également des moyens de contrôle du montage correct des fils (16, 18) dans les canaux (12) du bloc (10) par mesure de la continuité électrique de l'ensemble des fils.