Brevet FR2977376A1 — publié le 20130104

Procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, notamment destiné à qénérer un courant électrique dans un véhicule automobile, et dispositif thermo électrique obtenu par un tel procédé. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, et un dispositif thermo électrique obtenu par un tel procédé. Il a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, dits tubes chauds et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, dits tubes froids. Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid. Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entrainée par le vilebrequin du moteur. Pour disposer d'un dispositif thermo électrique présentant des performances élevées, il est nécessaire de disposer de contacts thermiques aussi bons que possible entre les surfaces des éléments thermo électriques et les surfaces des tubes sur lesquels ils sont disposés. Pour cela, il a déjà été proposé de braser les éléments thermo électriques sur les tubes chauds. Le brasage est réalisé au four en portant les tubes chauds et les éléments thermo électriques, prévus pré assemblés à la température de brasage. Un inconvénient d'une telle méthode est qu'elle peut provoquer une altération des éléments thermo électriques en raison de la température à laquelle ils sont soumis le temps du brasage. Une solution serait certes d'utiliser des matériaux de brasage présentant une température de fusion peu élevée mais le brasage risquerait alors d'être endommagé lors de l'utilisation du dispositif si les gaz d'échappement traversant les tubes présentent à leur tour une température trop forte, proche ou supérieure à la température de fusion du matériau de brasage utilisé. La présente invention vise à résoudre les problèmes précédents, au moins en partie, et propose à cette effet un procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, ledit dispositif comprenant une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, et des tubes de circulation d'un fluide, dit chaud, lesdits éléments thermo électrique étant au contact desdits tubes de circulation du fluide chaud par au moins l'une de leurs faces de contact, procédé dans lequel on fixe lesdits éléments thermo électrique auxdits tubes de circulation du fluide chaud en faisant circuler dans lesdits tubes un flux chaud permettant un brasage desdits éléments thermo électrique sur lesdits tubes. Autrement dit, ledit flux chaud circule à l'intérieur des tubes de circulation du fluide chaud et non à l'extérieur. On réalise ainsi un brasage, sans four, grâce auquel les éléments thermo électrique ne sont pas portés à la température de brasage ou alors seule une partie réduite desdits éléments, se trouvant à proximité de la zone de contact avec les tubes de circulation du fluide chaud. On peut de la sorte utiliser des températures de brasage élevées. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - on choisit pour le brasage un matériau de brasage dont la température de brasage est supérieure à celle du fluide destiné à circuler dans les tubes de circulation du fluide chaud, - ledit procédé comprend une étape préalable au brasage dans lequel on revêt localement le tube de circulation du fluide chaud avec le matériau de brasage au niveau de zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques, - ledit procédé comprend, préalablement à l'étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud avec le matériau de brasage, une étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud d'un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant, - ledit procédé comprend, entre l'étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud du matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant et l'étape de brasage, une étape dans laquelle on revêt le matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant de pistes de conductions électriques, entre les zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques, - ledit matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant est l'alumine, - les pistes de conduction électrique sont en cuivre, - ledit procédé comprend une étape préalable au brasage dans laquelle on pré assemble lesdits tubes de circulation du fluide chaud et lesdits éléments thermo électriques et on raccorde lesdits tubes de circulation du fluide chaud par une de leur extrémité à une source de flux chaud, - on pré assemble lesdits tubes de circulation du fluide chaud, lesdits éléments thermo électriques et des tubes, destinés à la circulation d'un second fluide, dit froid, de température inférieure au fluide chaud, et, postérieurement à l'étape de brasage, on assure une fixation des éléments thermo électriques sur les tubes de circulation du fluide froid. Les composants par l'intermédiaire desquels les éléments thermo électrique sont en relation d'échange thermique avec le fluide froid pourront cependant être d'une autre nature et il pourra s'agir, par exemple, d'ailettes. Quant aux tubes de circulation du fluide chaud, ils pourront être munis de turbulateurs permettant d'améliorer l'échange thermique. Il est par ailleurs à noter que le brasage selon l'invention pourra avoir lieu en phase liquide et/ou en phase solide. ~o L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique obtenu selon le procédé décrit plus haut. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : 15 - la figure 1 illustre en perspective, un exemple de dispositif thermo électrique obtenu par le procédé conforme à l'invention, représenté de façon éclatée, - la figure 2 illustre en perspective, de façon schématique, un tube chaud et un élément thermo électrique dudit dispositif. 20 Comme illustré à la figure 1, le dispositif obtenu par le procédé conforme à l'invention comprend des tubes 1 de circulation d'un premier fluide, dit chaud. Il pourra aussi comprendre des composants de conduction thermique en contact avec une source froide, ici une pluralité de tubes 2 de circulation d'un second fluide, dit froid. Lesdits tubes 1, 2 s'étendent, par 25 exemple, parallèlement les uns aux autres dans une même direction. Les tubes 1 de circulation du fluide chaud, dits aussi tubes chauds dans la suite, sont configurés, notamment, pour la circulation des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Les tubes 2 de circulation du fluide froid, dits aussi tubes froids dans la suite, sont 30 configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide présentant une température inférieure à la température du fluide chaud. Il pourra s'agir d'un liquide de refroidissement, tel qu'un mélange d'eau et de glycol, provenant, par exemple, d'une boucle de refroidissement basse température du véhicule. Ici, les tubes de circulation 1 de gaz d'échappement sont au nombre de trois et les tubes de circulation 2 du liquide de refroidissement sont au nombre de cinq. Ledit dispositif comprend en outre une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact. Lesdits éléments thermo électrique sont au contact desdits tubes chauds 1 par au moins l'une de leur face de contact. Ils sont ici également au contact avec les tubes froids 2 par leur face de contact opposée. Il s'agit, par exemple, d'éléments 4 de forme sensiblement parallélépipédiques (visible de façon schématique à la figure 2) générant un courant électrique, selon l'effet Seebeck. De tels éléments permettent la création d'un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces de contact prévues opposées. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Comme illustré à la figure 1, les éléments thermo électriques 4 sont réparties en nappes 5 prévues entre les tubes 1 de circulation du premier fluide et les tubes 2 de circulation du second fluide. Comme développé plus loin, les éléments thermo électriques appliqués sur un même tube 1, 2 sont reliés électriquement. En particulier les éléments thermo électriques de type P et les éléments thermo électriques de type N, prévus entre un même tube de circulation du premier fluide et un même tube de circulation du second fluide, pourront être associés entre eux de façon à permettre la circulation du courant en série d'un élément du premier type vers un élément du second type. Les éléments thermo électriques ainsi associés forment une cellule de conduction de base et les cellules obtenues pourront être associées en série et/ou en parallèle. A l'intérieur d'une même cellule de conduction, des éléments thermo électriques d'un même type pourront être associés en parallèle. Un connecteur électrique, non représenté, permet de relier le dispositif à un circuit électrique extérieur. Dans le dispositif, des liaisons électriques sont établies entre les nappes 5 d'éléments thermo électriques de façon à transmettre au circuit le courant généré par l'ensemble desdits éléments thermo électriques, par l'intermédiaire dudit connecteur. Lesdits tubes de circulation 1, 2 présentent, par exemple, une section aplatie selon une direction d'allongement, orthogonale à la direction d'extension des tubes. Lesdits tubes de circulation 1, 2 pourront ainsi être des tubes plats. On entend par là qu'ils présentent deux grandes faces parallèles reliés par des petits côtés. Les éléments thermo électriques 4 sont au contact de l'une et/ou l'autres des faces planes des tubes 1, 2 par leurs faces de contact. Lesdits tubes 1, 2 présentent, par exemple, une multiplicité de canaux. Lesdits tubes 2 destinés à la circulation du fluide froid sont constitués, par exemple, d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium. Ils sont, notamment, extrudés. Leurs canaux pourront être de section ronde. Les tubes 1 destinés à la circulation du fluide chaud, sont constitués, notamment, d'acier inox. Ils sont formés, par exemple, par profilage, soudage et/ou brasage. Leurs canaux de passage du fluide sont séparés, notamment, par des cloisons reliant les faces planes opposées des tubes. Ledit dispositif comprend en outre, par exemple, une plaque collectrice 15 à chacune des extrémités desdits tubes 1 de circulation du premier fluide. Ladite plaque collectrice 15 est munie d'orifices 6 dans lesquels les extrémités desdites tubes chauds 1 sont insérées. Ledit dispositif pourra également comprendre des boites collectrices 7 en communication de fluide avec l'extrémité desdits tubes chauds 1 et fixées aux plaques collectrices 5 par l'intermédiaire de vis 8. Lesdites boites comprennent un orifice 16 pour l'entrée et/ou la sortie du premier fluide. Lesdits tubes froids 2 pourront être munis à chacune de leur extrémité de collecteurs 9 permettant une mise en communication desdits tubes 2 de circulation du second fluide et d'une boite collectrice, non représentée, du second fluide par l'intermédiaire d'orifices 10 débouchant sur un face latérale du faisceau défini par l'empilement des tubes 1, 2 de circulation du premier et du second fluide. Comme illustré à la figure 2, le procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique tel que celui décrit plus haut comprend, selon l'invention, une étape dans laquelle on fixe lesdits éléments thermo électriques 4 auxdits tubes de circulation du fluide chaud 1 en faisant circuler dans lesdits tubes un flux chaud, symbolisé par la flèche repérée 20, permettant un brasage desdits éléments thermo électrique 4 sur lesdits tubes de circulation du fluide chaud 1. Grâce au flux chaud, la température de la paroi des tubes chauds 1 s'élève et le brasage des éléments thermo électriques 4 sur les tubes chauds 1 peut avoir lieu. On évite de la sorte de porter l'ensemble des éléments thermo électriques 4 à la température de brasage, ceci en assurant un brasage sans four. Le brasage est obtenu, notamment, par l'intermédiaire d'un matériau de brasage 30 préalablement déposé sur la surface extérieure des tubes 1 entre ces derniers et les surfaces de contact 3a, 3b des éléments thermo électriques 4. Sous l'action du réchauffement de la paroi des tubes chauds 1 obtenu grâce au flux chaud circulant à l'intérieur de ceux-ci, le matériau de brasage 30 se rapproche de sa température de fusion. On pourra alors réaliser un brasage en phase solide, si nécessaire en prévoyant d'appliquer 2977376 s une pression entre les éléments thermo électriques et les tubes. En variante, on fera en sorte d'atteindre la température de fusion du matériau de brasage 30 et on réalisera un brasage en phase liquide. On refroidit et/ou on laisse refroidir ensuite l'ensemble. Le matériau de 5 brasage se solidifie et définit alors un joint de brasage permettant la fixation des éléments thermo électrique 4 sur les tubes 1. On pourra choisir pour le brasage un matériau de brasage dont la température de brasage est supérieure à celle du fluide chaud destiné à circuler dans les tubes chauds 1. Il pourra donc s'agir d'un matériau 10 présentant une température de brasage supérieure aux températures rencontrées avec les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. On évite de la sorte une dégradation du joint de brasage, en utilisation, sous l'effet de la température du fluide circulant dans les tubes chauds 1. Avant brasage, on pourra tout d'abord revêtir lesdits tubes chauds 1 15 d'un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant 22. On revêt ensuite le matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant 22 de pistes de conductions électriques, non représentées, au moins entre des zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques 4. On revêt alors localement le tube avec le matériau de brasage 30, au moins au niveau 20 des zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques 4. Bien entendu, de telles étapes pourront être utilisées indépendamment les unes des autres dans différentes variantes de réalisation du procédé conforme à l'invention. Ledit matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant 20 25 est, par exemple, de l'alumine. Les pistes de conduction électrique sont, notamment, en cuivre. Selon un aspect de l'invention, ledit procédé comprend une étape, préalable au brasage, dans laquelle on pré assemble lesdits tubes chauds 1 et lesdits éléments thermo électriques 4 puis on raccorde lesdits tubes chauds 30 1 par une de leur extrémité à une source de flux chaud, notamment par l'intermédiaire d'une soufflerie reliée à une unité de génération d'un flux à haute température. Ledit flux chaud pourra circuler en boucle fermée ou en boucle ouverte à travers les tubes chauds 1. Dans le cas de dispositif tels que ceux d'écrit plus haut on pourra aussi pré assembler lesdits tubes chauds 1, lesdits éléments thermo électriques 4 et les tubes froid 2 et, postérieurement à l'étape de brasage, on assurera une fixation des éléments thermo électriques 4 sur lesdits tubes froids 2. Cela étant, comme illustré, lesdits tubes chauds 1 pourront être munis, par exemple, de turbulateurs 40 définissant les canaux évoqués plus haut et/ou favorisant l'échange thermique avec le fluide chaud. Ils permettront d'améliorer les performances du dispositif, en utilisation, ainsi que d'améliorer le brasage en augmentant la quantité de chaleur apportée au matériau de brasage 30 lors de la fabrication dudit dispositif. Ici, comme déjà dit, les tubes chauds 1 comme les tubes froids 2 sont des tubes plats et les éléments thermo électrique 4 sont de forme parallélépipédique. L'invention trouvera aussi cependant à s'appliquer avec de tubes chauds 1, voire des tubes froids 2, de section ronde, associés à des éléments thermo électriques annulaires, lesdits tubes de section ronde 1, 2 étant en contact avec une surface de périphérie intérieure et une surface de périphérie extérieure de l'anneau formé par les éléments thermo électriques. Côté source froide, au lieu de tubes plats, les éléments thermo électrique pourront aussi être en contact avec des intercalaires en relation d'échange thermique avec des tubes de circulation du fluide froid. Lesdits intercalaires pourront alors être employés selon les mêmes étapes de pré assemblage et de fixation que celles évoquées plus haut, en relation avec les tubes froids plats 2. Ainsi, le dispositif décrit plus haut, en relation avec la figure 1, n'est qu'un exemple de dispositif thermo électrique obtenu par le procédé conforme à l'invention qui pourra s'appliquer à des dispositifs présentant de nombreuses autres configurations. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, ledit dispositif comprenant une pluralité d'éléments (4), dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces (3a, 3b), dites faces de contact, et des tubes (1) de circulation d'un fluide, dit chaud, lesdits éléments thermo électrique (4) étant au contact desdits tubes de circulation du fluide chaud (1) par au moins l'une de leurs faces de contact (3a, 3b), procédé dans lequel on fixe lesdits éléments thermo électrique (4) auxdits tubes de circulation du fluide chaud (1) en faisant circuler dans lesdits tubes (1) un flux chaud permettant un brasage desdits éléments thermo électrique (4) sur lesdits tubes (1). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on choisit pour le brasage un matériau de brasage (30) dont la température de brasage est supérieure à celle du fluide destiné à circuler dans les tubes de circulation du fluide chaud (1). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 comprenant une étape préalable au brasage dans lequel on revêt localement le tube de circulation du fluide chaud (1) avec un matériau de brasage (30) au niveau de zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques (4). 25 4. Procédé selon la revendication 3 comprenant, préalablement à l'étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud (1) avec le matériau de brasage (30), une étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud (1) d'un matériau thermiquement conducteur et 30 électriquement isolant (22).20 5. Procédé selon la revendication 4 comprenant, entre l'étape dans laquelle on revêt le tube de circulation du fluide chaud (1) du matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant (22) et l'étape de brasage, une étape dans laquelle on revêt le matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant (22) de pistes de conductions électriques, entre les zones destinées à accueillir les éléments thermo électriques (4). 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ledit matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant (22) est l'alumine. 7. Procédé selon la revendication 5 dans lequel les pistes de conduction électrique sont en cuivre. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une étape préalable au brasage dans laquelle on pré assemble lesdits tubes de circulation du fluide chaud (1) et lesdits éléments thermo électriques (4) et on raccorde lesdits tubes de circulation du fluide chaud (1) par une de leur extrémité à une source de flux chaud. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on pré assemble lesdits tubes de circulation du fluide chaud (1), lesdits éléments thermo électriques (4) et des tubes (2), destinés à la circulation d'un second fluide, dit froid, de température inférieure au fluide chaud, et, postérieurement à l'étape de brasage, on assure une fixation des éléments thermo électriques (4) sur les tubes de circulation du fluide froid (2). 10. Dispositif thermo électrique obtenu selon l'une quelconque des revendications précédentes.30