Brevet FR2817617A1 — publié le 20020607

Procédé de fabrication de convertisseurs thermo- électriques La présente invention concerne un procédé de fabrication de convertisseurs thermo-électriques comprenant une pluralité de thermocouples en série formés par des fils électroconducteurs de deux natures différentes, et elle concerne également les convertisseurs thermo-électriques obtenus par exécution de ce procédé. On connaît des convertisseurs thermo-électriques formés d'une pluralité de thermocouples reliés en série, dont les jonctions à leurs extrémités opposées sont mises en contact respectivement avec une source chaude et avec une source froide, pour produire une force électromotrice qui dépend de la différence de température entre les jonctions chaudes et les jonctions froides et du nombre de thermocouples reliés en série. Pour augmenter la puissance électrique utile produite par un tel convertisseur thermoélectrique, on est amené, entre autres, à augmenter le nombre de thermocouples et donc à rechercher des procédés de fabrication permettant d'obtenir, de façon économique, rapide et fiable, des ensembles comprenant un nombre élevé de thermocouples reliés en série. L'invention a notamment pour but de répondre à ce besoin. Elle propose à cet effet un procédé de fabrication de convertisseurs thermo-électriques comprenant chacun une pluralité de thermocouples en série, formés de fils électroconducteurs de deux natures différentes, caractérisé en ce qu'il consiste à tisser les fils électroconducteurs de deux natures différentes, parallèles et amenés en alternance pour former la trame du tissage, avec une chaîne de fils en matière électriquement isolante et résistante à la chaleur et, à des intervalles prédéterminés, à rapprocher les fils de trame électroconducteurs deux à deux, à les souder dans leurs zones de contact et à les couper au niveau des soudures pour obtenir des bandes parallèles de tissu dans lesquelles les extrémités des fils de trame électroconducteurs sont reliées en série et forment les jonctions des thermocouples. Ce procédé de tissage est rapide et permet, en disposant côte à côte un grand nombre de fils de chaîne, de former une pluralité de bandes parallèles tissées comprenant chacune une pluralité de thermocouples reliés en série. L'utilisation de fils de chaîne espacés réduit leur nombre et facilite le tissage. Avantageusement, des fils d'une matière électriquement isolante et non glissante sur les fils de trame sont intercalés dans la chaîne, à intervalles réguliers. Leur friction sur les fils de trame permet de rapprocher ces fils de trame et de les maintenir en place pour les opérations de soudure et de coupe, notamment lorsque les autres fils de chaîne sont en fibres de verre et glissent facilement sur les fils de trame. De préférence, les parties des fils de trame qui sont soudées deux à deux et coupées pour former les jonctions des thermocouples, sont entre deux de ces fils de chaîne électriquement isolants et non glissants qui sont séparés d'une distance prédéterminée, par exemple de quelques millimètres, suffisante pour la soudure et la coupe des fils de trame. Avantageusement, on rapproche deux fils de trame, dans leur zone souhaitée de contact, en les faisant passer d'un même côté d'un ou de deux fils de chaîne précités de matière isolante et non glissante, lors de l'introduction des fils de trame dans la chaîne du tissage. Les soudures des fils de trame dans leurs zones de contact sont réalisées de préférence par un arc électrique. Il est avantageux d'effectuer cette soudure de façon automatique, en faisant passer les parties en contact des fils de trame entre des électrodes reliées à une source d'énergie électrique, le passage des fils de trame entre les électrodes déclenchant un arc électrique qui soude et coupe les fils en contact. En disposant deux rangées d'électrodes de part et d'autre du tissu formé des fils de chaîne et des fils de trame précités, dans la direction de la trame, et en faisant avancer le tissu entre ces rangées d'électrodes, on réalise automatiquement et simultanément toutes les soudures et les coupes, sur une même ligne de trame, des fils de trame de toutes les bandes parallèles tissées destinées à former des convertisseurs thermoélectriques. En variante, les soudures des fils de trame sont réalisées par soudure laser, soudure au plasma, ou autre. Après soudure et coupe des fils de trame, les bandes obtenues sont enroulées ou pliées sur ellesmêmes et coupées à longueur, en étant préalablement recouvertes d'une couche ou d'une feuille de matière électriquement isolante et résistante à la chaleur, par exemple d'une nappe de fibres de verre. Avant enroulement ou pliage, les extrémités soudées des fils de trame peuvent être recouvertes d'un produit électriquement isolant tel que de la cire ou un vernis par exemple. On peut alors enrouler ou plier la bande de thermocouples, sans la recouvrir d'une nappe ou feuille isolante. Les bandes enroulées ou pliées sont ensuite placées dans des enveloppes de matière électriquement isolante et résistante à la chaleur, et les extrémités soudées des fils de trame sont noyées dans des couches de matière électriquement isolante et résistant à la chaleur. En variante, les bandes enroulées ou pliées sont imprégnées sous vide d'une matière thermiquement et électriquement isolante, du type céramique. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci 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 représente schématiquement la fabrication par tissage des bandes de thermocouples selon l'invention ; la figure 2 représente schématiquement les moyens de soudure ; - la figure 3 est une vue partielle agrandie des moyens de soudure ; - la figure 4 est une vue partielle à grande échelle d'une partie du tissu avant et après soudure ; - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4 et représente une variante de réalisation ; - la figure 6 illustre schématiquement une étape finale du tissage selon l'invention ; - la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale d'un convertisseur thermoélectrique selon l'invention. On a illustré schématiquement en figure 1 les principales étapes du procédé de tissage selon l'invention, dans lequel des fils de chaîne 10 en une matière électriquement isolante telle que de la fibre de verre, sont tissés avec des fils de trame électroconducteurs 12,14 de deux natures différentes, qui sont amenés en alternance dans la chaîne. Ces fils électroconducteurs 12,14 sont destinés à être soudés entre eux à intervalles réguliers sur toute la largeur du tissage pour former des thermocouples dans une pluralité de bandes parallèles qui s'étendent dans la longueur du tissage et qui sont juxtaposées transversalement dans la largeur du tissage. Au cours du tissage, les fils de chaîne 10 sont soumis à une tension longitudinale constante prédéterminée, tandis que les fils de trame 12,14 qui sont introduits en alternance dans la chaîne de tissage sont coupés à l'extérieur de la chaîne et ont une longueur qui est légèrement supérieure à la largeur de tissage, de façon à dépasser légèrement de part et d'autre de la chaîne. Pour être soudés entre eux à intervalles réguliers, les fils de trame doivent être rapprochés deux à deux dans les zones souhaitées de soudure. Selon l'invention, ce rapprochement est réalisé au moyen de fils de chaîne 18 de plus grand diamètre qui sont intercalés à intervalles réguliers dans les fils 10 de fibre de verre et qui sont de préférence en une matière électriquement isolante et non glissante sur les fils de trame 12,14, les fils 18 étant par exemple en une matière plastique telle que du polyéthylène. Ces fils 18 sont tissés avec des paires de fils de trame 12,14 et non avec des fils de trame individuels, de sorte que chaque fil de chaîne 18 passe sur une paire de fils de trame 12,14, sous la paire suivante de fils de trame 12,14, sur la paire suivante de fils de trame 12,14, etc. Ce tissage a pour effet de rapprocher les deux fils 12,14 d'une paire de fils de trame, en raison de la tension longitudinale appliquée au fil 18, de son diamètre supérieur et de l'absence de tension longitudinale des fils de trame 12,14. Ce rapprochement amène les deux fils de trame 12,14 au contact l'un de l'autre à l'endroit où passe le fil de chaîne 18. Pour bien délimiter une zone de soudure des deux fils de trame 12,14 d'une paire, on peut avantageusement prévoir deux fils 18 l'un à côté de l'autre dans la chaîne du tissage, comme représenté schématiquement en figure 1, et réaliser la soudure entre les deux fils 18. Les deux fils de trame 12,14 de chaque paire sont rapprochés ainsi l'un de l'autre comme représenté en 20 en figure 1 entre deux fils de chaîne 18 consécutifs. Aux extrémités latérales de la chaîne, les extrémités des fils de trame 12,14 sont également rapprochées l'une de l'autre, comme représenté en 22, par un fil 18 de polyéthylène, ou bien par deux fils 18 consécutifs espacés d'une distance faible prédéterminée. Comme représenté à plus grande échelle en figure 4, les deux fils 18 consécutifs qui permettent de rapprocher deux fils de trame 12,14 pour former une zone de contact 20 entre les deux fils, peuvent passer le premier sous les deux fils et le second au- dessus de ces deux fils. Au niveau de la paire suivante de fils de trame 12,14, le premier fil 18 passe au-dessus des deux fils de trame et le second au-dessous, et ainsi de suite. Dans la variante représentée schématiquement en figure 5, les deux fils de chaîne 18 consécutifs passent tous les deux sous une paire de fils de trame 12,14, au-dessus de la paire suivante de fils de trame 12,14 et ainsi de suite. L'opération suivante consiste à réaliser une soudure des deux fils de trame 12,14 de chaque paire dans chacune de leurs zones de contact 20,22. Selon l'invention, cette soudure est réalisée au moyen d'un arc électrique déclenché entre deux électrodes 24 reliées aux bornes d'une source d'énergie électrique 26, qui est à courant alternatif avec une tension crête de l'ordre de 500 V par exemple, ou davantage. Les électrodes 24 sont disposées l'une au-dessus et l'autre au-dessous de la voie de passage des zones rapprochées 20 des paires de fils de trame et sont écartées d'une distance telle qu'un arc électrique ne se déclenche pas entre les électrodes 24 lorsqu'aucune paire de fils de trame 12,14 n'est située entre ces électrodes. Par contre, le passage d'une paire de fils de trame entre les électrodes déclenche un arc électrique entre les électrodes. Cet arc électrique réalise la soudure des deux fils de trame 12,14 dans leur zone de contact 20 (ou 22) et simultanément souffle la partie médiane de la zone de soudure, ce qui a pour résultat de souder les deux fils de trame et de les couper au milieu de leur soudure. Dans les vues à plus grande échelle des figures 4 et 5, les parties soudées de deux fils de trame 12, 14 sont désignées par la référence 28. Elles sont séparées par un vide 30 qui correspond à la partie médiane de la zone de contact 20 de ces deux fils qui a été soufflée par l'arc électrique. Les électrodes 24 sont disposées en deux rangées parallèles au-dessus et au-dessous respectivement du tissu formé par les fils de trame 12,14 et les fils de chaîne 10,18. Ces rangées d'électrodes s'étendent parallèlement aux fils de trame et comprennent chacune un nombre d'électrodes qui est égal au nombre de bandes parallèles de thermocouples dans le tissage plus un. Le tissu 32 formé des fils de trame et des fils de chaîne qui est transporté au-delà des moyens de soudure est alors composé d'une pluralité de bandes tissées parallèles 34 qui sont séparées et indépendantes les unes des autres. Chaque bande tissée 34 comprend une pluralité de thermocouples formés par les soudures 28 des extrémités des fils 12,14 et reliés en série le long de la bande 34. Selon l'invention, les fils de chaîne 10,18 sont séparés les uns des autres d'une distance faible prédéterminée, ce qui simplifie le tissage et réduit le coût des bandes de thermocouples. Par exemple, les fils de chaîne 10 en fibre de verre peuvent avoir un diamètre de l'ordre de 0,3-0, 5 millimètre, la distance entre deux fils 10 consécutifs étant d'environ 2 à 5 millimètres. Les fils de chaîne 18 en polyéthylène ou analogue ont un diamètre supérieur à celui des fils de trame, par exemple de 1,5 à 2 fois leur diamètre, et deux fils 18 consécutifs sont séparés d'une distance qui est par exemple égale à la distance entre deux fils 10 consécutifs et qui peut être supérieure, si nécessaire, pour faciliter la soudure des fils de trame. Ces fils de trame sont par exemple des fils métalliques ayant un diamètre de l'ordre de 0,15 millimètre, la distance entre deux fils 12,14 consécutifs étant par exemple de 0,6 millimètre. La largeur des bandes 34 de thermocouples fabriqués selon l'invention peut être adaptée aux applications prévues de ces thermocouples, et est par exemple d'environ 15 millimètres quand leur diamètre est d'environ 0,15 millimètre. Lorsque la largeur du tissu formé par les fils de chaîne et les fils de trame est d'environ un mètre, le nombre de bandes parallèles 34 de thermocouples fabriqués simultanément est d'environ 66. Le pas entre thermocouples sur un même côté d'une bande 34 étant de 1,5 millimètre et la vitesse de tissage étant de 80 millimètres par minute par exemple, le procédé selon l'invention permet de fabriquer 66 bandes comprenant chacune 6400 jonctions, soit 3200 thermocouples en série par heure de tissage. A la sortie du métier à tisser, chaque bande de thermocouples 34 est recouverte d'une bande 36 de matière électriquement isolante ayant sensiblement la même largeur que la bande de thermocouples 34, cette bande 36 étant par exemple constituée d'un tissu mince ou d'un non-tissé de fibres de verre ou analogue. L'ensemble des deux bandes 34 et 36 est ensuite enroulé sur lui-même pour former une bobine ou un rouleau 38 comportant des thermocouples à ses deux extrémités axiales. En variante, l'ensemble des deux bandes 34, 36 peut être plié en zig-zag au lieu d'être enroulé. Selon une autre variante, pour être protégées contre les risques de court-circuit électrique à l'enroulement ou au pliage, les jonctions formées par les extrémités soudées des fils de trame peuvent être préalablement revêtues d'une matière électriquement isolante, telle qu'un vernis ou une cire. Dans ce cas, la couche de matière qui recouvre les jonctions forme des entretoises entre les jonctions à l'enroulement et/ou au pliage de la bande, ce qui évite les risques de court-circuit entre les jonctions et rend inutiles les bandes isolantes 36. Bien entendu, les bandes 34 de thermocouples sont coupées à longueur en fonction des applications envisagées pour constituer des rouleaux 38 comprenant un nombre prédéterminé de thermocouples en série et ayant un diamètre prédéterminé. Comme représenté schématiquement en figure 7, chaque rouleau 38 peut ensuite être placé dans une enveloppe 40 de matière thermiquement isolante, et les thermocouples formés par les jonctions soudées 28 des fils de trame sont noyées dans une couche 42 de matière thermiquement et électriquement isolante. Avantageusement, ces couches 42 constituent des radiateurs qui permettent d'améliorer l'échange de chaleur entre les jonctions 28 et le milieu extérieur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'enveloppe 40 et les couches 42 sont en céramique. Il est avantageux que l'enveloppe 40 soit mécaniquement et thermiquement indépendante de la couche 42 du côté des jonctions chaudes, c'est-à-dire des jonctions qui vont être exposées à un milieu à température élevée lors de l'utilisation du convertisseur thermoélectrique. Cela permet en effet d'absorber la différence de dilatation thermique entre l'enveloppe 40 et les fils électroconducteurs 12,14 qui constituent les thermocouples du convertisseur. Cela permet également de former une couche d'air 44 entre la couche de matière 42 dans laquelle sont noyées les jonctions chaudes 28 de thermocouple et l'extrémité correspondante de l'enveloppe 40 et donc de réduire le transfert de chaleur par l'enveloppe 40 à la couche de matière 42 dans laquelle sont noyées les jonctions froides des thermocouples. L'enveloppe 40, qui est libre par rapport à la couche 42 comportant les jonctions chaudes, peut être solidarisée à la couche 42 comportant les jonctions froides. Dans une variante, la bande bobinée (ou pliée) 38, comprenant ou non une bande isolante 36, est imprégnée sous vide d'une matière thermiquement et électriquement isolante du type céramique, qui est à une température comprise entre 1500 et 700 C environ selon les cas, et qui durcit en refroidissant. Les jonctions soudées 28 sont de préférence noyées dans des couches 42 de matière thermiquement et électriquement isolante du type céramique avant l'imprégnation de la bande bobinée. En variante, les jonctions soudées 28 sont noyées dans la matière d'imprégnation qui peut former des radiateurs comme les couches 42 précitées. REVENDICATIONS 1-Procédé de fabrication de convertisseurs thermo-électriques comprenant chacun une pluralité de thermocouples en série, formés de fils électroconducteurs (12,14) de deux matières différentes, caractérisé en ce qu'il consiste à tisser les fils électroconducteurs (12, 14) de deux natures différentes, parallèles et amenés en alternance pour former la trame du tissage, avec une chaîne de fils (10) en matière électriquement isolante et résistante à la chaleur et, à des intervalles prédéterminés, à rapprocher les fils de trame électroconducteurs (12,14) deux à deux, à les souder dans leur zone de contact (20) et à les couper au niveau des soudures pour obtenir des bandes tissées parallèles (34) dans lesquelles les extrémités des fils de trame électroconducteurs (12, 14) sont reliées en série et forment les jonctions des thermocouples. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à intercaler dans la chaîne, à intervalles réguliers, des fils (18) d'une matière électriquement isolante et non glissante sur les fils de trame, telle qu'une matière plastique. 3-Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à souder les fils de trame (12,14) deux à deux entre deux fils de chaîne (18) de matière isolante et non glissante, qui sont écartés l'un de l'autre d'une distance prédéterminée. 4-Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les fils de trame (12, 14) sont sans tension longitudinale. 5-Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à rapprocher les deux fils de trame (12,14) à souder en les faisant passer du même côté d'un fil de chaîne (18) de matière isolante et non-glissante. 6-Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à souder et couper les fils de trame (12,14) dans leurs zones de contact (20) au moyen d'un arc électrique, ou par soudure laser ou par soudure au plasma. 7-Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer le tissu (32) de fils de trame et de fils de chaîne entre deux rangées d'électrodes (24) reliées à une source d'énergie électrique (26) à courant alternatif, les électrodes (24) étant associées par paires de part et d'autre des zones de contact (20) des fils de trame (12,14). 8-Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fils de chaîne (10,18) sont espacés les uns des autres. 9-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après soudure et coupe des fils de trame (12,14), les bandes tissées (34) sont recouvertes chacune d'une bande (36) de matière électriquement isolante et sont enroulées et/ou pliées sur elles-mêmes. 10-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant enroulement et/ou pliage, au moins les extrémités soudées (28) des fils de trame (12,14) sont recouvertes d'un produit électriquement isolant, tel que de la cire ou un vernis par exemple, après quoi les bandes tissées (34) sont pliées et/ou enroulées sur elles-mêmes. 11-Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'après enroulement et/ou pliage, les bandes tissées (38) sont placées dans des enveloppes (40) de matière électriquement isolante et résistante à la chaleur et les extrémités soudées (28) des fils de trame sont noyées dans une couche (42,46) d'une matière réfractaire et électriquement isolante. 12-Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce qu'au moins une couche (42) de matière réfractaire dans laquelle les extrémités soudées (28) des fils de trame sont noyées, est mécaniquement et thermiquement indépendante de ladite enveloppe (40). 13-Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les bandes tissés (34) sont, après enroulement et/ou pliage, imprégnées sous vide d'une matière thermiquement et électriquement isolante du type céramique, et les jonctions soudées (28) des fils (12,14) sont noyées dans des couches de matière isolante du type céramique.