Brevet FR2857161A1 — publié le 20050107

GENERATEUR THERMOELECTRIQUE L'invention concerne un générateur thermoélectrique, comprenant une pluralité de thermocouples formés par des jonctions de deux éléments réalisés en semi-métaux ou en semi-conducteurs de type n et de type p respectivement. L'utilisation de matériaux semi-conducteurs pour former les thermocouples, à la place des métaux ou des alliages métalliques utilisés traditionnellement, a permis d'augmenter de façon importante le rendement de la conversion thermoélectrique et donc la puissance électrique utile fournie par les générateurs dans des applications données. Dans la technique connue, les éléments semi-conducteurs qui forment les thermocouples sont de petits cubes ou parallélépipèdes réalisés par frittage, et les éléments de type n et ceux de type p sont formés en un même matériau de base pour des questions de température et de pression de frittage lors de leur fabrication et de dilatation thermique différentielle lors de leur utilisation. Cela a un inconvénient, car deux dopages différents d'un même matériau de base n'ont pas les mêmes caractéristiques physiques notamment de conductivité thermique et de conductivité électrique et n'ont donc pas les mêmes performances thermoélectriques. Cette technique est également très coûteuse et ne permet aucune optimisation. La présente invention a notamment pour objet un générateur thermoélectrique qui ne présente pas ces inconvénients. L'invention a également pour objet un générateur thermoélectrique ayant un rendement très supérieur à celui des générateurs connus de la technique antérieure. L'invention a encore pour objet un générateur thermoélectrique de ce type qui puisse être réalisé de façon fiable en grande série à un prix de 30 revient relativement très faible. Elle propose à cet effet un générateur thermoélectrique comprenant 2857161 2 une pluralité de thermocouples formés par des jonctions de deux éléments réalisés en semi-métaux ou en semi-conducteurs de type n et de type p respectivement, caractérisé en ce que les éléments de chaque jonction sont des fils dont l'un est en un premier matériau de type n et l'autre en un second matériau de type p, les premier et second matériaux étant différents et choisis chacun pour que le couple formé par deux fils ait un comportement thermoélectrique optimisé, résultant d'une optimisation des conductivités thermiques et électriques des fils et de leurs coefficients de Seebeck. Dans le générateur thermoélectrique selon l'invention: - l'utilisation de fils à la place de parallélépipèdes permet d'augmenter le coefficient de Seebeck de chaque élément pris individuellement: en effet, il a été démontré que ce coefficient n'est pas constant et varie dans une certaine mesure comme le rapport Ils (longueur/surface en section transversale) de l'élément, - l'utilisation de fils permet de résoudre les problèmes de dilatation thermique différentielle de ces éléments, ces dilatations thermiques différentielles se traduisant par de faibles variations des courbures des fils entre les jonctions dans le générateur selon l'invention, ce qui ne risque pas de provoquer la rupture ou la casse des fils, - le procédé selon l'invention permet l'utilisation de matériaux différents pour les deux fils n et p, ce qui permet d'optimiser les caractéristiques thermoélectriques du couple ainsi formé et donc d'améliorer le rendement global du générateur de 10 -20% environ. Avantageusement, les surfaces en section transversale des deux fils n et p ainsi que leurs longueurs sont différentes, de manière à équilibrer le générateur thermoélectrique et gagner jusqu'à un facteur deux sur la puissance utile produite. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque fil d'une 30 jonction est entouré d'une gaine, par exemple en utilisant le procédé connu dit de Taylor Ulitovsky. 2857161 3 Lorsque la gaine est en matériau diélectrique, le coefficient de Seebeck du fil gainé est augmenté d'un facteur qui peut atteindre quatre en raison d'un effet de peau qui favorise une concentration des électrons libres ou des phonons à l'intérieur du fil gainé. Lorsque la gaine est en semi-conducteur ayant une conductivité de type n ou de type p identique à celle du fil gainé, la concentration des électrons libres ou des phonons dans le fil est fortement accentuée et le coefficient de Seebeck du fil augmente de façon très importante, puisqu'il est multiplié par un facteur nettement supérieur à 4. Il en résulte une augmentation très importante du rendement global du générateur thermoélectrique et de la puissance électrique qu'il peut fournir dans une application donnée. De préférence, la gaine a une épaisseur faible par rapport au diamètre du fil, cette épaisseur étant par exemple comprise entre environ 1 15 pm et environ 20 pm. De façon générale, cette épaisseur de gaine est optimisée d'une part pour augmenter la concentration des électrons libres dans le fil gainé et améliorer son coefficient de Seebeck, et d'autre part pour réduire le flux thermique parasite qui passe par la gaine entre deux jonctions. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la gaine est en verre avec un dopage de type n ou de type p correspondant à celui du fil entouré par la gaine, et cette gaine est avantageusement poreuse ou à micro-fissures ou micro-criques pour réduire sa conductivité. Une telle gaine réalisée avec une épaisseur comprise entre 1 et 10 pm a une conductivité thermique quasi-nulle. De façon particulièrement avantageuse, les fils des jonctions des thermocouples forment la trame d'un tissage dont la chaîne est formée de fils diélectriques, ou inversement. Dans ce mode de réalisation, les fils ont des longueurs sensiblement identiques choisies entre les jonctions et leurs caractéristiques physiques sont optimisées par un choix approprié des matériaux qui constituent les fils de type n et les fils de type p, et de leurs surfaces en section transversale. De façon générale, dans une application donnée la densité par unité de surface des jonctions des fils dans le générateur est déterminée pour que le flux thermique dans ces fils soit optimal et permette d'obtenir une différence de température interne maximale dans les fils entre les jonctions chaudes et les jonctions froides du générateur, ce qui correspond à un maximum de rendement thermoélectrique et de puissance électrique utile fournie par le générateur. 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 est une vue schématique d'un générateur thermoélectrique selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale, à plus grande échelle, d'un fil du générateur selon l'invention; - la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale de ce fil; - la figure 4 est une vue schématique en coupe, à plus grande échelle, d'une jonction du générateur selon l'invention. On a représenté très schématiquement en figure 1 une partie d'un générateur thermoélectrique selon l'invention, qui comprend une pluralité de thermocouples reliés en série et/ou en parallèle et formés par des jonctions 10 de deux fils 12, 14 de nature différente, ce générateur se présentant par exemple sous la forme d'une bande allongée et les jonctions 10 étant réparties sur les deux bords longitudinaux de cette bande pour être en contact les unes avec une source chaude SC et les autres avec une source froide SF. La différence de température entre les jonctions chaudes (les jonctions 10 au contact de la source chaude SC) et les jonctions froides 2857161 5 (les jonctions 10 en contact avec la source froide SF) se traduit par l'établissement d'une différence de potentiel électrique V entre les bornes du générateur et par le passage d'un courant électrique dans les fils 12,14 (effet Seebeck), la puissance électrique utile que peut fournir le générateur étant fonction du nombre de jonctions 10, des natures des fils 12, 14, de leur géométrie et de la différence de température entre les jonctions chaudes et les jonctions froides. Dans le générateur selon l'invention, les fils 12, 14 sont en semiconducteurs de type n et de type p respectivement, ou en semi-métaux à conductivité de type n et de type p respectivement, ces derniers ayant de moins bonnes performances thermoélectriques que les semi-conducteurs, mais étant beaucoup moins coûteux, plus facilement tréfilables et plus faciles à utiliser, par exemple comme fils de trame dans un métier à tisser. L'utilisation de fils en semi-conducteurs ou en semi-métaux dans le générateur selon l'invention permet d'optimiser les coefficients de Seebeck des fils 12, 14, ces coefficients dépendant de la nature et de la géométrie des fils et notamment de leur surface en section transversale qui est optimisée à une certaine valeur pour les fils 12 et à une autre valeur pour les fils 14, les longueurs des fils 12, 14 étant identiques dans l'exemple représenté. Comme indiqué dans ce qui précède, l'optimisation des surfaces en section transversale des fils 12, 14 permet d'augmenter de quelques points le rendement thermoélectrique global du générateur et de le faire passer par exemple de 10 à 13-15 % environ, toutes autres conditions étant par ailleurs égales. Les matériaux des fils 12, 14 sont choisis pour que le fil à conductivité de type n et celui à conductivité de type p aient des caractéristiques physiques et thermoélectriques optimales. En pratique, les jonctions froides et/ou les jonctions chaudes du générateur sont souvent associées à des radiateurs permettant d'augmenter le flux thermique. II est par ailleurs souhaitable que les 2857161 6 résistances électriques des fils 12, 14 soient minimales. L'ensemble de ces conditions permet de définir des rapports Ils (longueur de fillsurface en section transversale de fil) optimaux pour les fils 12, 14, la densité des jonctions 10 par unité de surface étant un autre facteur à prendre également en compte pour la génération d'une puissance électrique utile maximale. Cette puissance électrique utile est par ailleurs fortement augmentée lorsqu'on utilise des fils 12, 14 gainés comme représenté aux figures 2, 3 et 4, chaque fil 12 (ou 14) étant entouré d'une gaine 16 ayant une épaisseur 10 relativement faible par rapport au diamètre du fil 12, cette gaine 16 étant soit en un matériau diélectrique, soit en un semi-conducteur ayant la même conductivité de type n ou de type p que le fil qu'elle entoure. Quand la gaine 16 est en matériau diélectrique, elle agit par effet de peau sur le flux d'électrons libres dans le fil 12 ou 14 et le concentre ou le focalise à l'intérieur de ce fil. Cela se traduit par une augmentation de l'ordre de quatre du coefficient de Seebeck du fil gainé. Lorsque la gaine 16 est en semi-conducteur de type n ou de type p correspondant à celui du fil qu'elle entoure, cette concentration ou focalisation est très accentuée et le coefficient de Seebeck du fil gainé est multiplié par un facteur supérieur à 4 et qui est en général bien supérieur. Les jonctions 10 de deux fils gainés 12, 14 peuvent être réalisées par soudure laser par exemple, les gaines 16 de ces fils étant éliminées au niveau de la jonction 10 pour éviter tout risque de contamination des matériaux des fils 12 et 14 par le matériau des gaines 16. On peut avantageusement utiliser pour les gaines 16 un matériau ayant une température de fusion ou de sublimation inférieure à celle des matériaux des fils 12 et 14. Dans ce cas, on peut d'abord défocaliser le faisceau laser pour éliminer les gaines 16 au niveau de la jonction 10 au moyen de quelques trains d'impulsions laser, puis on focalise le faisceau laser sur les extrémités des fils 12, 14 en contact pour les souder au moyen de quelques trains d'impulsions laser. 2857161 7 On peut aussi, en variante, utiliser un apport de métal que l'on chauffe par quelques trains d'impulsions laser pour éliminer les gaines 16 et réaliser la jonction des fils 12, 14. Les gaines 16 sont par exemple réalisées en verre avec un dopage de type n ou un dopage de type p respectivement, ce verre ou un autre matériau approprié étant avantageusement poreux ou comportant des micro-fissures ou des micro-criques qui permettent de réduire sa conductivité thermique. Les épaisseurs des gaines 16 sont faibles pour réduire leur conductivité thermique et de façon générale comprises entre 1 et 20 pm environ. Les valeurs de ces épaisseurs sont optimisées pour assurer une meilleure concentration des électrons libres dans les fils 12, 14 et réduire ou quasiment annuler les conductibilités thermiques des gaines. L'optimisation des caractéristiques thermoélectriques des fils 12, 14 du générateur selon l'invention et notamment l'optimisation de leurs coefficients de Seebeck se traduisent également par une minimisation de la masse nécessaire de matériaux semi-conducteurs ou de semi-métaux, ce qui se traduit par une réduction du coût du générateur. 8 REVENDICATIONS 1. Générateur thermoélectrique, comprenant une pluralité de thermocouples formés par des jonctions (10) de deux éléments réalisés en semi-métaux ou en semi-conducteurs de type n ou de type p respectivement, caractérisé en ce que les éléments de chaque jonction sont des fils (12, 14) dont l'un est en un premier matériau avec une conductivité de type n et l'autre en un second matériau avec une conductivité de type p, les premier et second matériaux étant différents et choisis pour que le couple formé par deux fils (12, 14) ait un comportement thermoélectrique optimisé, résultant d'une optimisation des conductivités thermiques et électriques des fils et de leurs coefficients de Seebeck. 2. Générateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les surfaces en section transversale des deux fils (12, 14) de chaque jonction sont différentes. 3. Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les longueurs des deux fils (12, 14) de chaque jonction sont sensiblement identiques. 4. Générateur selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que chaque fil (12, 14) d'une jonction est entouré d'une gaine (16). 5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la gaine (16) a une épaisseur faible par rapport au diamètre du fil (12, 14). 6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la gaine (16) est comprise entre 1 et 20 pm environ. 7. Générateur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la gaine (16) est en matériau diélectrique. 8. Générateur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la gaine (16) est en matériau semi-conducteur, avec une conductivité 30 du type n ou du type p identique à celle du fil (12, 14) qu'elle entoure. 9. Générateur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce 2857161 9 que la gaine (16) a une conductivité thermique faible par rapport à celle du fil (12, 14) qu'elle entoure. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la gaine (16) est en un matériau poreux ou présentant des micro-criques ou microfissures. 11. Générateur selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la gaine (16) est en verre à dopage de type n ou de type p. 12. Générateur selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que les deux fils de chaque jonction sont réunis par soudure ou brasure après élimination de leurs gaines (16) au niveau de la jonction. 13. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils des jonctions forment la trame d'un tissage dont la chaîne est formée de fils diélectriques. 14. Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la densité par unité de surface des jonctions des fils est déterminée pour que le flux thermique dans les fils entre les jonctions chaudes et les jonctions froides soit optimal et permette d'obtenir une différence de température interne maximale dans les fils entre lesdites jonctions chaudes et froides.