Brevet FR2976125A1 — publié le 20121207

Procédé de fabrication d'éléments thermo électriques et éléments thermo électriques obtenus par un tel procédé. L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments thermo électriques, notamment destinés à être intégrés dans un dispositif thermo électrique pour véhicule automobile à moteur thermique. Dans le domaine automobile, 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, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. 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. D'autres applications sont également connues, notamment dans le domaine spatial. Cependant, il s'agit soit de dispositifs produits à l'état de prototype, soit de dispositifs produits en très petite série, ne nécessitant qu'un nombre limité d'éléments thermo électriques. Et le procédé habituellement utilisé pour les fabriquer consiste en la réalisation d'une galette de grand diamètre et de faible épaisseur, par frittage d'un matériau thermo électrique. On découpe ensuite la galette pour obtenir les éléments thermo électriques au format voulu. Si un tel procédé peut convenir pour une activité de prototypage ou de petite série, elle ne convient par contre pas à des fabrications à plus fortes cadences telle que celles que rencontrées dans le domaine automobiles. On peut en particulier noter que les opérations de découpage du procédé actuel seraient difficiles à maîtriser à fortes cadences et généreraient de nombreux rebus, incompatibles avec les objectifs de rentabilité souhaités. En effet, les matériaux frittés, s'ils peuvent subir des contraintes de pression relativement élevés, sont par contre très sensibles aux efforts de cisaillement générés par un découpage. L'invention vise à améliorer la situation et propose à cet effet un procédé de fabrication d'éléments thermo électriques, présentant des dimensions leur permettant d'être intégrés dans un dispositif thermo électrique pour véhicule automobile à moteur thermique, ledit dispositif étant destiné à récupérer la chaleur de gaz d'échappement dudit moteur, procédé dans lequel on met en forme un matériau thermo électrique aux dimensions des éléments thermo électriques et on soumet ledit matériau à un traitement thermique de façon à obtenir lesdits éléments thermo électriques directement à dimension. Ainsi, selon l'invention, l'obtention des éléments thermo électriques a lieu sans opérations de découpage et une fabrication à grandes cadences peut être envisagée. Lesdits éléments thermo électriques sont, par exemple, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, respectivement dites première et seconde faces. Selon un premier mode de réalisation, lesdits éléments thermo électriques ont la forme d'un parallélogramme rectangle et les premières et deuxièmes faces sont des faces opposées du parallélogramme. Selon un autre mode de réalisation, ladite première face présente une surface supérieure à ladite seconde face. Il pourra alors s'agir d'éléments thermo électriques en forme d'anneau ou de portion d'anneau, la première face étant définie par une surface de périphérie extérieure de l'anneau et la seconde face étant définie par une surface de périphérie intérieure de l'anneau. En utilisant une surface d'échange plus grande que l'autre, on adapte la configuration des éléments thermo électriques fabriqués à la nature des sources froides et chaudes utilisées pour créer le gradient de température nécessaire à leur fonctionnement. En particulier, dans le cas d'une application dans le domaine automobile où les éléments thermo électriques seront au contact avec les gaz d'échappement du moteur, côté chaud, et avec un liquide de refroidissement, côté froid, on pourra utiliser la surface d'échange la plus grande au niveau du fluide présentant le coefficient d'échange le plus faible, ici les gaz d'échappement. Il sera ainsi possible de disposer d'un rapport entre la résistance thermique côté gaz et la résistance thermique côté liquide plus équilibré, favorisant le fonctionnement de l'ensemble. Selon cet aspect de l'invention, lesdits éléments thermo électriques présentent, par exemple, deux faces planes parallèles opposées leur permettant d'être disposés l'un contre l'autre. Selon différents modes de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - le traitement thermique comprend une étape d'apport de chaleur au niveau des premières et/ou secondes faces, - le traitement thermique comprend une étape dans laquelle on fait circuler un courant électrique à travers le matériau thermo électrique entre lesdites première et seconde faces, - ledit matériau thermo électrique est prévu en poudre et le traitement thermique comprend une étape de frittage, - on met en forme ledit matériau thermo électrique en couches superposées puis on soumet lesdites couches de matériau thermo électrique audit traitement thermique de manière à obtenir lesdits éléments thermo électriques, chaque couche desdites couches superposées étant destinée à l'obtention de l'un desdits éléments thermo électriques, - on sépare lesdites couches par une feuille de matériau. Il est à noter que, dans les exemples particuliers de formes donnés, parallélépipédique, notamment rectangle, ou torique, les éléments thermo électriques obtenus par le procédé conforme à l'invention pourront trouver leurs applications dans des dispositifs thermo électriques destinés à tous types de domaines et pas seulement au domaine automobile. L'invention concerne encore un élément thermo électrique obtenu selon le procédé de fabrication 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 : - la figure 1 illustre en perspective un exemple d'éléments thermo électriques obtenus selon le procédé conforme à l'invention, - la figure 2 illustre de façon schématique, selon un plan de coupe radiale, un exemple de mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'élément thermo électrique de la figure 1, - la figure 3 illustre de façon schématique, selon un plan de coupe axiale, un exemple de dispositif thermo électrique utilisant des éléments thermo électriques selon la figure 1. L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments thermo électriques. Comme illustré à la figure 1, il s'agit, par exemple, d'éléments thermo électriques 1 susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dite première face 2a et deuxième face 2b. De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces 2a, 2b soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). Dans un premier mode de réalisation, non illustré, il pourra s'agir d'éléments de forme parallélépipédique rectangle. Dans un autre mode de réalisation, correspondant à celui illustré à la figure 1, il pourra s'agir, d'éléments dans lequel ladite première face 2a présente une surface supérieure à ladite seconde face 2b. De tels éléments thermo électrique sont en particulier adaptés pour établir un échange thermique entre ladite première face 2a et un premier fluide et entre ladite seconde face 2b et un second fluide, ledit second fluide, par exemple un liquide de refroidissement, présentant un coefficient d'échange thermique supérieure audit premier fluide, par exemple les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule automobile. On favorise ainsi l'échange entre les éléments thermo électriques 1 et le fluide présentant le coefficient d'échange thermique le plus faible, ici, les gaz d'échappement. Lesdites première et/ou seconde faces 2a, 2b sont, par exemple, générées par une droite. Cela facilitera la configuration des circuits de fluide avec lesquels lesdites faces 2a, 2b sont destinés à échanger de la chaleur. Elles sont ainsi, notamment, de forme cylindrique. On pourra de la sorte utiliser un élément thermo électrique en forme d'anneau ou de portion d'anneau, la première face 2a étant définie par une surface de périphérie extérieure de l'anneau tandis que la seconde face 2b est définie par une surface de périphérie intérieure de l'anneau. A la figure 3, l'élément thermo électrique 1 représenté est constitué d'un anneau formé de deux demi-anneaux 3 identiques et disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre. A la figure 1, il s'agit d'un anneau en seule pièce. La première face 2a présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la seconde face 2b. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ 2 fois celui de seconde face 2b. A titre d'exemple, le rayon de la première face 2a est compris entre 12 à 18 mm et/ou le rayon de la seconde face 2b est compris entre 5 à 8 mm. Pour faciliter l'homogénéité de l'échange thermique angulairement le long de l'élément thermo électrique, lesdites première et/ou seconde surfaces 2a, 2b sont, par exemple, coaxiales. Autrement dit, l'élément thermo électrique est muni d'une épaisseur radiale constante. Ledit élément thermo électrique présente, par exemple, deux faces planes 4a, 4b parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermo électrique est de section annulaire rectangulaire, ce qui favorise une disposition côte à côte desdits éléments thermo électriques le long de leur axe longitudinal, comme cela sera détaillé plus loin. Selon une première application, les éléments thermo électrique 1 obtenus conformément à l'invention présentent des dimensions leur permettant d'être intégrés dans un dispositif thermo électrique pour véhicule automobile à moteur thermique, ledit dispositif étant destiné à récupérer la chaleur de gaz d'échappement dudit moteur. Cela étant, dans les exemples particuliers de formes évoquées plus haut, le procédé conforme à l'invention pourra s'appliquer plus largement. Comme illustré à la figure 2, on met en forme un matériau thermo électrique 5 aux dimensions des éléments thermo électriques et on soumet ledit matériau à un traitement thermique de façon à obtenir lesdits éléments thermo électriques directement à dimension. On évite de la sorte les opérations de découpage de l'état de l'art. Ledit matériau thermo électrique 5 est prévu en poudre et le traitement thermique comprend une étape de frittage. On soumet ainsi ledit matériau thermo électrique 5 à une étape de compactage et une étape de cuisson et/ou de décharge électrique. Ledit traitement thermique comprend, par exemple, une étape d'apport de chaleur au niveau des premières et/ou secondes faces 2a, 2b. On favorise ainsi la résistance des éléments dans une direction orthogonale auxdites faces, ce qui permettra d'appliquer auxdits éléments thermo électriques les efforts propices à un bon contact avec les sources chaudes et froides employées pour créer le gradient de température nécessaire à leur fonctionnement. Le traitement thermique comprend, par exemple, une étape dans laquelle on fait circuler un courant électrique à travers le matériau thermo électrique entre lesdites première et seconde faces 2a, 2b. On pourra employer pour cela un dispositif à décharges électriques comprenant une première électrode 10, par exemple négative, et une seconde électrode 12, par exemple positive. Lesdites électrodes sont disposés, notamment, de façon coaxiale et le matériau thermo électrique 5 est disposé en couronne entre les deux électrodes 10, 12. Ainsi, après obtention des éléments thermo électriques 1, l'électrode 1 10 est située à l'intérieur des anneaux formés par lesdits éléments thermo électriques 1. Plus précisément, elle est en contact aves leur seconde face 2b. La seconde électrode 12 est située à l'extérieur desdits anneaux formés par les éléments thermo électriques 1. Plus précisément, elle est en contact avec leur première face 2a. On applique de la sorte un courant électrique entre la périphérie intérieure 2a et la périphérie extérieure 2b des anneaux en faisant circuler le courant dans le matériau thermo électrique entre l'électrode négative 10 et l'électrode positive 12. Comme illustré, on pourra mettre en forme ledit matériau thermo électrique en couches 6 superposées puis soumettre lesdites couches de matériau thermo électrique 5 audit traitement thermique de manière à obtenir lesdits éléments thermo électriques 1, chaque couche 6 desdites couches superposées étant destinée à l'obtention de l'un desdits éléments thermo électriques 1. Pour séparer lesdites couches 6 de matériau thermo électrique, on utilise, par exemple, une feuille de matériau 14. Il s'agit, notamment, d'une feuille isolante électriquement et/ou thermiquement et neutre aux opérations de frittage. On forme ainsi, par exemple, des éléments thermo électriques 1 en forme d'anneau et munis de faces planes opposées 4a, 4b. Les feuilles de matériau 14 sont situées entre lesdites faces planes opposées 4a, 4b de deux éléments thermo électrique voisins. Lesdites feuilles de matière 14 se présentent sous la forme de disques avec un orifice central et leur taille correspond à l'espace entre les deux électrodes 10, 12. Après frittage, on obtient de la sorte un empilement d'éléments thermo électriques 1 et de feuilles de matériau 14 intercalées que l'on dépile par la suite. Autrement dit, selon l'invention : - on prévoit une cavité de moulage présentant des dimensions correspondant à celles d'un élément ou d'un empilement d'éléments thermo électriques, directement utilisables, tels que les éléments thermo électriques présentant les applications et/ou les formes évoquées plus haut, - on remplit ladite cavité de moulage d'un matériau thermo électrique, - on soumet ledit matériau au traitement thermique permettant la formation du ou desdits éléments thermo électriques, par exemple selon les différents modes de traitement thermique évoqués plus haut, - puis on démoule ledit élément thermo électrique ou ledit empilement d'éléments thermo électriques. On illustre dans la suite un exemple de dispositif thermo électrique 25 obtenu avec des éléments thermo électriques 1, en forme d'anneau, issus du procédé décrit plus haut. Comme illustré à la figure 3, il comprend un premier circuit 20, dit chaud, apte à permettre la circulation d'un premier fluide, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et un second circuit 22, dit froid, apte à permettre 30 la circulation d'un second fluide, notamment un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. 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. Lesdits éléments thermo électriques sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon la direction orthogonale auxdit éléments thermo électriques. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Lesdits éléments thermo électriques sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N, et ledit dispositif est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo électriques de ladite même paire et l'élément thermo électrique voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques disposés les uns à côtés des autres. Pour faciliter la configuration des circuits de circulation de fluide 20, 22, lesdits éléments thermo électriques pourront être disposés les uns par rapport aux autres de façon à ce que leur première et/ou seconde face 2a, 2b soient dans le prolongement l'une de l'autre. Lesdites première et/ou seconde faces 2a, 2b sont ainsi inscrites, par exemple, dans une surface générée par une droite. Pour la circulation des fluides, le dispositif conforme à l'invention pourra comprendre un canal 24 de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde face 2b desdits éléments thermo électriques 1 et/ou un canal 26 de circulation de gaz au contact de ladite première face 2a desdits éléments thermo électriques 1. Le ou lesdits canaux 24 de circulation de liquide sont, par exemple, de section circulaire. Ledit canal 26 de circulation de gaz est, par exemple, de section annulaire. Lesdits éléments thermo électriques 1 sont disposés entre lesdits canaux 24, 26, par exemple, radialement. Ici, ledit canal 24 de circulation de liquide froid et ledit canal 26 de circulation de gaz sont coaxiaux. Le canal 26 de circulation de gaz comprend un tube interne 32 en contact avec la grande face 2b des éléments thermo électriques 1. Le canal de circulation de liquide 24 comprend un tube 34 sur lequel sont montés les éléments thermo électriques 1 par leur petite face 2b. Pour améliorer encore l'échange thermique entre les éléments thermo électriques 1 et le second fluide, le canal 24 de circulation de gaz pourra être muni de surfaces d'échange secondaire 28. Il s'agit, par exemple, d'ailettes radiales 30, notamment liées au tube 32 du canal 26 de circulation de gaz. Afin de le protéger et de l'isoler de l'extérieur, le dispositif conforme à l'invention pourra encore comprendre une enveloppe externe isolante 30, définissant éventuellement une paroi externe 36 du canal 26 de circulation de gaz. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'éléments thermo électriques (1), présentant des dimensions leur permettant d'être intégrés dans un dispositif thermo électrique pour véhicule automobile à moteur thermique, ledit dispositif étant destiné à récupérer la chaleur de gaz d'échappement dudit moteur, procédé dans lequel on met en forme un matériau thermo électrique (5) aux dimensions des éléments thermo électriques (1) et on soumet ledit matériau (5) à un traitement thermique de façon à obtenir lesdits éléments thermo électriques (1) directement à dimension. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel lesdits éléments thermo électriques (1) sont susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces (2a, 2b), respectivement dites première et seconde faces. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite première face (2a) présente une surface supérieure à ladite seconde face (2b). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 dans lequel lesdits éléments thermo électriques (1) sont en forme d'anneau ou de portion d'anneau, la première face (2a) étant définie par une surface de périphérie extérieure de l'anneau et la seconde face (2b) étant définie par une surface de périphérie intérieure de l'anneau. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel lesdits éléments thermo électriques (1) présentent deux faces planes parallèles (4a, 4b) opposées leur permettant d'être disposés l'un contre l'autre. 6. Procédé de fabrication d'éléments thermo électriques (1), de forme parallélépipédique ou torique, lesdits éléments thermo électriques (1) étantsusceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces (2a, 2b), respectivement dites première et seconde faces, procédé dans lequel on met en forme un matériau thermo électrique (5) aux dimensions des éléments thermo électriques (1) et on soumet ledit matériau (5) à un traitement thermique de façon à obtenir lesdits éléments thermo électriques (1) directement à dimension. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 dans lequel le traitement thermique comprend une étape d'apport de chaleur au 10 niveau des premières et/ou secondes faces (2a, 2b). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 dans lequel le traitement thermique comprend une étape dans laquelle on fait circuler un courant électrique à travers le matériau thermo électrique (5) entre 15 lesdites première et seconde faces (2a, 2b). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel ledit matériau thermo électrique (5) est prévu en poudre et le traitement thermique comprend une étape de frittage. 20 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel on met en forme ledit matériau thermo électrique (5) en couches (6) superposées puis on soumet lesdites couches (6) de matériau thermo électrique (5) audit traitement thermique de manière à obtenir lesdits éléments 25 thermo électriques (1), chaque couche (6) desdites couches superposées étant destinée à l'obtention de l'un (1) desdits éléments thermo électriques. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on sépare lesdites couches (6) par une feuille de matériau (14). 30 12. Elément thermo électrique obtenu selon le procédé de fabrication de l'une quelconque des revendications précédentes.