Brevet FR2977373A1 — publié le 20130104

Procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer 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. II 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. Pour disposer d'un courant et d'une tension d'un niveau suffisamment élevé, il est nécessaire de relier les thermo éléments entre eux, en série et/ou en parallèle, à l'aide de pistes de conduction électrique, prévues à la surface des tubes. Cela étant, les tubes étant métalliques, un revêtement thermiquement conducteur et électriquement isolant est prévu entre les tubes et les pistes de conduction électrique pour éviter la création de court-circuit entre les pistes de conduction électriques, ceci tout en permettant le passage de la chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans les tubes et les éléments thermo électriques. Différents procédés de réalisation de tubes présentant un tel revêtement et de telles pistes de conduction ont été déjà été proposés mais ils ne sont pas satisfaisant compte-tenu de leurs difficultés et de leurs coûts d'industrialisation. La présente invention vise à améliorer la situation et propose à cette effet un procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique 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, procédé dans lequel on prévoit un support thermiquement conducteur en contact avec une source chaude ou froide, on effectue, sur tout ou partie dudit support, une projection thermique d'un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant de manière à réaliser un revêtement, dit revêtement primaire, et on effectue une projection thermique d'un matériau électriquement conducteur sur le revêtement primaire de manière à former des pistes de conduction électrique, destinées à recevoir les éléments thermo électriques par leurs faces de contact. En réalisant le revêtement primaire et les pistes de conduction tous les deux par projection thermique, on facilite la fabrication. En effet, compte-tenu des principes de fonctionnement communs des procédés de projection thermiques, il sera possible de mettre en partage au moins une partie des outillages, fluides ou autres ressources utilisés pour la projection des matériaux employés. Un tel procédé présente de plus l'avantage d'offrir une bonne planéité des surfaces en contact avec les éléments thermo électriques. Assurer une bonne planéité à ce niveau est en effet déterminant pour obtenir une bonne conduction thermique entre le support thermiquement conducteur et les éléments thermo électriques et donc un fonctionnement efficace des dispositifs thermo électriques fabriqués. On réalise ledit revêtement primaire, par exemple, par projection plasma du matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant. On réalise les pistes de conduction électrique, par exemple, par projection plasma du matériau électriquement conducteur. En particulier, on pourra réaliser ledit revêtement primaire et lesdites pistes de conduction électrique tous les deux par projection plasma. Selon différents modes de réalisation qui pourront être pris ensemble ~o ou séparément : - ledit matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant est une céramique, notamment de l'alumine, - ledit matériau électriquement conducteur est choisi parmi le cuivre ou le nickel, 15 - on fixe les éléments thermo électriques sur les pistes de conduction électrique, notamment par brasage, - on projette avec le matériau électriquement conducteur un matériau destiné à permettre le brasage des éléments thermo électriques sur lesdites pistes de conduction électriques, 20 - le support thermiquement conducteur est un tube et on projette le revêtement primaire en plusieurs zones distinctes de la surface dudit tube. 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 25 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 de dispositif thermo électrique conforme à l'invention, représenté de façon éclatée, - la figure 2 illustre en perspective, de façon schématique, une 30 première étape de mise en ceuvre du procédé conforme à l'invention, appliqué à un support thermiquement conducteur défini par un tube, - la figure 3 illustre en perspective, de façon schématique, un tube obtenu par un exemple de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Comme illustré à la figure 1, le dispositif conforme à l'invention comprend des supports de conduction thermique en contact avec une source chaude ou froide telles qu'une pluralité de tubes 1 de circulation d'un premier fluide alternant avec une pluralité de tubes 2 de circulation d'un second fluide. Lesdits tubes 1, 2 s'étendent ici parallèlement les uns aux autres dans une même direction. Les tubes 1 de circulation du premier fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit chaud. Il pourra s'agir des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Les tubes 2 de circulation du second fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit froid, présentant une température inférieure à la température du premier fluide. 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, prévues au contact desdits tubes 1, 2 de circulation du premier et du second fluide. Il s'agit, par exemple, d'éléments 4 de forme sensiblement parallélépipédiques (visible de façon schématique à la figure 3) 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 3a, 3b, 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 4 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 reliées 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 3a, 3b. 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 1 de circulation du premier fluide sont insérées. Ledit dispositif pourra également comprendre des boîtes collectrices 7 en communication de fluide avec l'extrémité desdits tubes de circulation 1 du premier fluide et fixées aux plaques collectrices 5 par l'intermédiaire de vis 8. Lesdites boîtes comprennent un orifice 16 pour l'entrée et/ou la sortie du premier fluide. Lesdits tubes 2 de circulation du second fluide 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 boîte 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. L'invention concerne également un procédé de fabrication permettant d'obtenir un tel dispositif et plus particulièrement les tubes dudit dispositif. Comme illustré à la figure 2, dans une première étape, on effectue, sur tout ou partie dudit support thermiquement conducteur, ici repéré 30, une projection thermique d'un matériau 20 thermiquement conducteur et électriquement isolant de manière à réaliser un revêtement 21, dit revêtement primaire. On réalise ledit revêtement primaire 21, par exemple, par projection plasma du matériau 20 thermiquement conducteur et électriquement isolant. Ledit matériau 20 thermiquement conducteur et électriquement isolant est constitué, notamment, d'une céramique telle que de l'alumine. Le revêtement primaire 21 obtenu est ainsi essentiellement constitué d'alumine mais il pourra bien sûr comprendre des impuretés dues, notamment, à la pureté plus ou moins grande du matériau de départ utilisé pour la projection, à la propreté du support thermiquement conducteur et/ou au procédé de projection lui-même. Comme illustré à la figure 3, on prévoit aussi des pistes de conduction électrique 22, destinées à recevoir les éléments thermo électriques 4 par leurs faces de contact 3a, 3b. Ceci est réalisé, selon une seconde étape, en effectuant une nouvelle projection thermique, cette fois-ci d'un matériau électriquement conducteur, sur le revêtement primaire 21. Il pourra à nouveau s'agir d'une projection plasma, notamment de cuivre ou de nickel. Les pistes de conduction 22 obtenues sont ainsi essentiellement constituées de cuivre ou de nickel mais elles pourront bien sûr comprendre des impuretés dues, notamment, à la pureté plus ou moins grande du matériau de départ utilisé pour la projection, à la propreté du support et/ou au procédé de projection lui-même. En utilisant le même principe de réalisation pour le revêtement primaire 21 et les pistes de conductions thermiques 22, à savoir la projection thermique, on facilite la fabrication grâce aux partages de ressources rendus possibles par leurs points communs. A titre d'exemple, un point commun entre les différents procédés de projection thermique est l'utilisation d'un gaz vecteur servant à transporter le matériau à projeter sur le support. On obtient de plus une bonne planéité des revêtements. On pourra en particulier réaliser le revêtement primaire 21 et les pistes de conduction 22 à l'aide d'un même outillage de projection. s Tel que cela est illustré figure 2 dans le cas d'une projection plasma, il s'agit d'un outillage comprenant, par exemple, une alimentation en gaz plasmagène ainsi qu'une anode 31 et une cathode 32 permettant la création d'un jet 23 de plasma à travers une buse 33, le jet étant dirigé vers le support 30. L'outillage comprend en outre des injecteurs 34 permettant de diriger le matériau à projeter, ici l'alumine pour la première étape et le cuivre ou le nickel pour la seconde étape, en direction du jet de plasma 23. Cela étant, il sera aussi possible d'utiliser d'autres procédés de projection thermique tel que, par exemple, une projection sous l'effet d'un flux généré par une combustion, tel que le procédé connu sous le nom anglais de High Velocity Oxygen Fuel, ceci notamment pour la réalisation des pistes 22 de conduction électrique, en particulier en cas de pistes 22 réalisées en cuivre. Selon un exemple de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on fixe les éléments thermo électriques 4 sur les pistes 22 de conduction électrique, par exemple par brasage, comme cela ressort de la figure 4. On pourra pour cela projeter avec le matériau électriquement conducteur un matériau destiné à permettre le brasage des éléments thermo électriques 4 sur lesdites pistes 22 de conduction électriques. Par ailleurs, on pourra projeter le revêtement primaire 21 en plusieurs zones distinctes 24a, 241), 24c, prévues, par exemple, à la surface des tubes 1, 2 de circulation du premier et/ou du second fluide. Autrement dit, les zones 24a, 2413, 24c de revêtement primaire 21 sont séparées les unes des autres. Ici, des excroissances 25 sont prévues à la surface des tubes 1, 2 de circulation du premier et/ou du second fluide du tube entre chaque zone 24a, 24b, 24c de revêtement primaire 21. Les pistes 22 de conduction électrique pourront être propres à chaque dite zone 24a, 24b, 24c de revêtement primaire 21. Elles sont, par exemple, parallèles entre elles à l'intérieur de chacune desdites zones 24a, 24b, 24c de revêtement primaire 21. Bien naturellement, 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. En particulier les supports de conductions thermiques munis dudit revêtement primaire et desdites pistes de conduction électriques pourront être des tubes d'autres formes, constitués d'autres matériaux ou agencés différemment. Il pourra encore s'agir d'ailettes de conduction thermique. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif thermo électrique 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, procédé dans lequel on prévoit un support (30) thermiquement conducteur en contact avec une source chaude ou froide, on effectue, sur tout ou partie dudit support (30), une projection thermique d'un matériau (20) thermiquement conducteur et électriquement isolant de manière à réaliser un revêtement (21), dit revêtement primaire, et on effectue une projection thermique d'un matériau électriquement conducteur sur le revêtement primaire de manière à former des pistes (22) de conduction électrique, destinées à recevoir les éléments thermo électriques par leurs faces de contact (3a, 3b). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réalise ledit revêtement primaire (21) par projection plasma du matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant (20). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel on réalise les pistes de conduction électrique (22) par projection plasma du matériau électriquement conducteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on réalise le revêtement primaire (21) et les pistes de conduction (22) à l'aide d'un même outillage de projection. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant (20) est l'alumine. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit matériau électriquement conducteur est choisi parmi le cuivre ou le nickel. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on fixe les éléments thermo électriques (4) sur les pistes de conduction électrique (22) par brasage. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on projette avec le matériau électriquement conducteur un matériau destiné à permettre le brasage des éléments thermo électriques (4) sur lesdites pistes de conduction électriques (22). 15 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le support thermiquement conducteur (30) est un tube (1, 2) et on projette le revêtement primaire en plusieurs zones distinctes (24a, 24b, 24c) de la surface dudit tube (1, 2). 20 10. Dispositif thermo électrique obtenu selon l'une quelconque des revendications précédentes.5