Brevet FR2981507A1 — publié le 20130419

Dispositif thermoélectrique sécurisé. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif comportant un module thermoélectrique muni d'un thermocouple qui comporte un premier plot et un second plot en matériaux thermoélectriques différents reliés électriquement par un élément de liaison. État de la technique Les dispositifs thermoélectriques permettent d'exploiter un phénomène physique présent dans certains matériaux. Ce phénomène physique est créé par la relation entre le flux de chaleur qui traverse ces matériaux, et le courant électrique qui les parcourt. Un dispositif thermoélectrique comporte généralement, une pluralité de thermocouples disposés thermiquement en parallèle et reliés électriquement en série par des éléments de connexion métalliques. Chaque thermocouple comporte une paire de plots en matériaux thermoélectriques différents. Les plots d'un thermocouple sont reliés entre eux au niveau de l'une de leurs extrémités par un élément de jonction, formant ainsi une jonction thermoélectrique. Le montage thermique en parallèle peut être réalisé par des côtés chaud et froid disposés de part et d'autre des thermocouples respectivement au niveau des jonctions thermoélectriques et des éléments de connexion des thermocouples, ou inversement. Un dispositif thermoélectrique peut être utilisé en mode Seebeck ou bien en mode Peltier. En mode Seebeck, également appelé mode générateur de puissance, le dispositif produit une énergie à partir d'un gradient de température entre le côté chaud et le côté froid. En mode Peltier, également appelé mode refroidisseur, l'application d'un courant aux bornes du dispositif thermoélectrique permet de générer un gradient de température entre le côté chaud et le côté froid. Les dispositifs thermoélectriques en mode refroidisseur sont largement utilisés, notamment pour le refroidissement localisé de composants électroniques. En général, le rendement de ces dispositifs thermoélectriques dépend de plusieurs paramètres, en particulier de l'environnement d'utilisation. Ainsi, suivant des conditions thermiques initiales, l'évolution du refroidissement du dispositif thermoélectrique en fonction du courant injecté possède un optimum : lorsque l'intensité du courant injecté dépasse cet optimum, l'effet Joule prédomine sur l'effet Peltier engendrant ainsi un refroidissement moins efficace allant jusqu'à l'échauffement. Dans certains cas, l'effet du dispositif thermoélectrique sur les composants électroniques peut même s'inverser. Autrement dit, le dispositif thermoélectrique génère un réchauffement au lieu d'un refroidissement, ceci pouvant engendrer une détérioration des composants à refroidir ainsi que du dispositif thermoélectrique. Objet de l'invention Il existe un besoin de prévoir un dispositif muni d'un module thermoélectrique dont la détérioration est limitée. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un dispositif comportant un module thermoélectrique muni d'un thermocouple, ledit thermocouple comportant un premier plot et un second plot en matériaux thermoélectriques différents reliés électriquement par un élément de liaison configuré pour se déformer en fonction de sa température de sorte à occuper une première position de déformation dans laquelle les premier et second plots sont reliés électriquement en série uniquement par l'élément de liaison, et une deuxième position de déformation dans laquelle l'élément de liaison est en contact électrique avec un plot de dérivation dudit dispositif. Le plot de dérivation est en un matériau de conductivité électrique supérieure aux conductivités électriques de l'élément de liaison et des premier et second plots. Le dispositif comporte également une charge reliée électriquement au plot de dérivation. Ladite charge a une résistance électrique inférieure à la résistance électrique du module thermoélectrique. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : les figures 1 et 2 illustrent schématiquement, en coupe, un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 illustre schématiquement, une vue de dessus d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; et les figures 4 et 5 illustrent schématiquement, en coupe, un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention. Description de modes préférentiels de réalisation Le dispositif muni d'un module thermoélectrique décrit ci-après diffère de l'art antérieur notamment en ce qu'il prévoit un système de sécurité qui permet d'éviter sa détérioration et/ou la détérioration des dispositifs sensibles à la chaleur se trouvant à son voisinage. Selon un mode particulier de réalisation illustré aux figures 1 et 2, un dispositif comporte un module thermoélectrique 1 muni d'un thermocouple 12. Le module thermoélectrique 1 comporte un premier plot 10a et un second plot 10b en matériaux thermoélectriques différents. Par matériaux thermoélectriques différents, on entend des matériaux de compositions chimiques différentes, aptes à former un thermocouple, ou bien un même matériau ayant des types de dopage différents. Les premier et second plots 10a et 10b sont reliés électriquement l'un à l'autre, préférentiellement à l'une de leur extrémité, par un élément de liaison 11. Les premier et second plots 10a et 10b peuvent former le thermocouple 12. L'élément de liaison 11 forme alors l'élément de jonction du thermocouple 12 (la jonction thermoélectrique). Les premier et second plots 10a et 10b peuvent également appartenir à deux thermocouples distincts 13 et 14, reliés électriquement en série. En d'autres termes, l'élément de liaison 11 forme dans ce cas un élément de connexion entre deux thermocouples. Avantageusement, les premier et second plots 10a et 10b sont disposés entre des premier et second supports 15 et 16, formant respectivement un réservoir côté froid à une température Tc et un réservoir côté chaud à une température Th supérieure à Tc. Les réservoirs côtés froid et chaud 15 et 16 sont disposés de part et d'autre des thermocouples du module thermoélectrique 1, respectivement au niveau des éléments de jonctions thermoélectriques et des éléments de connexion des thermocouples ou inversement. Les premier et second plots 10a et 10b peuvent être à base de silicium, de tellurure de bismuth, d'alliage de silicium et de germanium, de matériaux siliciurés, des tellures, des oxydes ou tout autre matériau permettant de former un thermocouple. De préférence, les premier et second plots 10a et 10b sont dopés avec des types de dopage différents. Les premier et second supports 15 et 16 peuvent être à base de silicium ou tout autre matériel utilisé comme support pour des dispositifs thermoélectriques usuels. Comme illustré à la figure 1, l'élément de liaison 11 comporte une zone centrale 11c disposée entre deux extrémités 11e. Les deux extrémités 11e pouvant être interposées respectivement entre les extrémités des premier et second plots 10a et 10b et le premier support 15. La zone centrale 11c de l'élément de liaison est disposée en regard d'un plot de dérivation 17 du courant électrique circulant dans le module thermoélectrique 1, en particulier entre les premier et second plots 10a et 10b. Le plot de dérivation 17 dudit dispositif est avantageusement, disposé dans le fond d'une cavité 18 formée dans le premier support 15. L'élément de liaison 11 est avantageusement configuré pour se déformer en fonction de sa température. Selon la température de l'élément de liaison 11, ce dernier peut occuper une première position de déformation suivant laquelle l'élément de liaison 11 est séparé du plot de dérivation 17. Ainsi, les premier et second plots 10a et 10b sont reliés électriquement en série uniquement par l'élément de liaison 11. Comme illustré à la figure 2, l'élément de liaison 11 est également configuré pour se déformer en fonction de sa température, de manière à pouvoir occuper une deuxième position de déformation dans laquelle il est en contact avec le plot de dérivation 17 dudit dispositif. En fait, sous l'influence d'une variation de sa température, l'élément de liaison 11 subit une déformation structurelle le conduisant à être en contact électrique avec le plot de dérivation 17. Préférentiellement, l'élément de liaison 11 est configuré et disposé de manière à ce que les extrémités 11e restent toujours fixées entre les premier et second plots 10a et 10b et le premier support 15, pour éviter les problèmes de tenue mécanique au niveau des premier et second plots 10a et 10b. De préférence, un matériau d'adhérence, par exemple à base de titane (Ti), peut être interposé entre l'élément de liaison 11 et les premier et second plots 10a et 10b. Le matériau d'adhérence permet ainsi d'améliorer le contact entre l'élément de liaison 11 et les premier et second plots 10a et 10b. Le plot de dérivation 17 est en un matériau ayant une conductivité électrique supérieure aux conductivités électriques de l'élément de liaison 11 et des premier et second plots 10a et 10b. Le plot de dérivation 17 peut être à base d'un matériau choisi parmi les métaux, les polymères électriquement conducteurs, les oxydes électriquement conducteurs, le graphène ou encore les nanotubes de carbone. Préférentiellement, le plot 17 peut être à base de Cu, Ag, Al, Au, polypyrrole, polyaniline, polyacétylène, sulfure de poly pphénylène, ZnO, In203, Sn02. Comme illustré à la figure 3, le plot de dérivation 17 est également relié électriquement à une charge 21 via une piste de connexion 17' destinée à acheminer un courant électrique vers la charge 21. La piste de connexion 17' est préférentiellement à base du même matériau que le plot de dérivation 17. La charge 21 n'appartient pas au module thermoélectrique 1 et a une résistance électrique inférieure à la résistance électrique du module thermoélectrique 1. Ainsi, le contact électrique créé entre l'élément de liaison 11 et le plot de dérivation 17 permet de dévier le courant électrique, circulant habituellement dans le module thermoélectrique 1 vers la charge 21, ce qui permet de désactiver le thermocouple 12 en particulier et le module thermoélectrique 1 en général. Le courant dérivé peut être dissipé dans une résistance. Il peut également alimenter un signal d'alarme sonore ou lumineux, ou encore une boucle de réaction pour arrêter le module thermoélectrique 1. Ainsi la déformation de l'élément de liaison 11 permet avantageusement, d'arrêter le fonctionnement du module thermoélectrique 1 lorsque la température du côté froid 15, i.e. la température de l'élément de liaison 11, atteint une température critique. Le fait d'arrêter le fonctionnement du module thermoélectrique 1 permet d'éviter une détérioration du module thermoélectrique 1, et des dispositifs sensibles à la chaleur se trouvant à son voisinage. Avantageusement, l'élément de liaison 11 est réversiblement déformable de manière à basculer de la première position de déformation à la seconde position de déformation lorsque la température de l'élément de liaison 11 devient supérieure à une première température T1. La déformation réversible de l'élément de liaison 11 engendre également un re-basculement de la deuxième position à la première position de déformation lorsque sa température devient inférieure à une seconde température T2 inférieure ou égale à la première température T1. Les matériaux, les dimensions et la forme géométrique de l'élément de liaison 11 sont choisis de manière à ajuster la température ou les températures pour lesquelles l'élément de liaison 11 bascule de la première à la deuxième position de déformation et inversement. Ainsi, l'élément de liaison 11 peut avantageusement, s'adapter aux différents types d'architectures et de dispositifs thermoélectriques. L'élément de liaison 11 peut être formé à base d'un alliage à mémoire de forme. Ce type de matériau permet une déformation progressive de l'élément de liaison 11 en fonction de sa température. Un alliage à mémoire de forme est un matériau capable de garder en mémoire une forme initiale et d'y retourner même après une déformation. Ce matériau peut ainsi alterner entre deux formes ou positions de déformation préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique. L'élément de liaison 11 est préférentiellement, un bilame. Par bilame, on entend un empilement d'au moins deux couches ou deux lames en matériaux différents, soudées ou collées l'une contre l'autre. Les matériaux des couches formant le bilame ont des coefficients de dilatation thermique différents. Ainsi, le bilame peut se déformer lorsque sa température varie. Le bilame formant l'élément de liaison 11, peut être réalisé en utilisant les techniques de microfabrication en salle blanche. Ce type de bilame est généralement utilisé dans des structures ayant des épaisseurs micrométriques, allant de quelques micromètres à quelques millimètres. Les bilames réalisés suivant ces techniques comportent avantageusement une couche en silicium (Si) ou en oxyde de silicium (SiO2). Le matériau d'une io couche additionnelle du bilame est choisi de manière à être compatible avec les techniques de microfabrication, à être un bon conducteur électrique, et à avoir un écart de coefficient de dilatation thermique, par rapport à celui de la couche en Si ou bien en SiO2, le plus grand possible. Préférentiellement, la couche additionnelle du bilame est en aluminium (AI), en or (Au) ou encore 15 en plomb (Pb). Ce sont des matériaux largement utilisés en salle blanche et ayant un coefficient de dilatation thermique qui peut être associé à une couche en Si ou en SiO2. Il est donc avantageux que l'élément de liaison 11 comporte une couche en silicium ou bien en oxyde de silicium et une couche en un matériau choisi parmi Al, Au et Pb. 20 Pour des bilames à l'échelle macroscopique, ayant une épaisseur pouvant dépasser quelques millimètres, les différentes couches comprises dans le bilame sont, préférentiellement, soudées à froid. Ce type de bilame comporte avantageusement une couche en Invar, un matériau correspondant à un 25 alliage de fer (Fe) et de nickel (Ni) avec différentes compositions. L'Invar est un alliage métallique ayant un coefficient de dilatation thermique faible, de l'ordre de 0,5.106 K-1. Il est également avantageux que le bilame comporte une couche permettant d'avoir un écart important entre les coefficients de dilatation thermique des couches du bilame. En effet, la déformation est 30 proportionnelle à l'écart entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux des couches d'un bilame, ainsi plus cet écart est important plus la déformation du bilame est importante. Préférentiellement, le bilame comporte une couche additionnelle en alliages tels que fer-nickel-chrome, fer-nickelcobalt ou encore fer-nickel-manganèse. À titre d'exemple, les coefficients de dilatation thermique des alliages Fe-Ni-Cr et Fe-Ni-Mn sont respectivement de l'ordre de 17,4.106 K1 et 18,4.10-6 K-1, largement supérieurs au coefficient de dilatation thermique de l'Invar. Selon une mise en oeuvre particulière, le module thermoélectrique 1 du dispositif comporte de préférence, une pluralité de thermocouples 12 reliés électriquement en série et comportant chacun des premier et second plots 10a et 10b en matériaux thermoélectriques différents reliées électriquement par un élément de liaison 11. Dans une première variante, l'élément de liaison 11 peut être intégré dans un dispositif, selon l'invention, muni d'un module thermoélectrique 1 configuré en mode refroidisseur. Sous certaines conditions d'utilisation, le fonctionnement du module thermoélectrique 1 peut être altéré de manière à réchauffer son environnement au lieu de le refroidir. Ainsi, la température de l'élément de liaison 11 augmente jusqu'à ce qu'il occupe la deuxième position de déformation. Cette position de déformation permet avantageusement, l'arrêt du fonctionnement du module thermoélectrique 1, évitant ainsi le réchauffement de son environnement et la détérioration du module thermoélectrique 1. Dans une seconde variante, l'élément de liaison 11 peut également être intégré dans un dispositif, selon l'invention, muni d'un module thermoélectrique 1 configuré en mode générateur de puissance. Suivant cette configuration, le module thermoélectrique 1 génère un courant électrique circulant à travers les premier et second plots 10a et 10b. Cette circulation du courant électrique peut engendrer une augmentation de la température du module par effet Joule. L'augmentation de la température du module peut être accentuée si la température du côté froid 15 ou du côté chaud 16 est importante, produisant ainsi une détérioration du module thermoélectrique 1. Il est alors avantageux d'utiliser un élément de liaison 11 tel que décrit ci-dessus afin de suspendre le fonctionnement du module thermoélectrique 1 lorsque sa température atteint une température critique. Dans le cas où le module thermoélectrique 1 comporte une pluralité de thermocouples 12 reliés en série, l'arrêt de fonctionnement du module thermoélectrique 1 peut être effectué par un seul élément de liaison 11 dans la série en créant une dérivation du courant électrique vers la charge 21. Cependant, les thermocouples du module thermoélectrique 1 se trouvant en amont ou en aval de l'élément de liaison 11, selon l'invention, peuvent encore faire circuler un courant électrique créé par un effet Seebeck parasite, généré par le gradient de température entre le côté froid 15 et le côté chaud 16. Ce courant électrique peut à lui seul détériorer les thermocouples 12 se trouvant en amont ou en aval de l'élément de liaison 11, selon l'invention, et générer un réchauffement indésirable par effet Joule. Pour pallier ces phénomènes indésirables, il est avantageux d'utiliser des éléments de liaison tels que décrit ci-dessus au lieu de tous les éléments de jonction et de tous les éléments de connexion du module thermoélectrique 1. Autrement dit, chaque thermocouple 12 est associé à un plot de dérivation 17 et chaque élément de liaison 11 du module thermoélectrique 1 est configuré pour se déformer en fonction de sa température de sorte à occuper une des première et seconde positions de déformation. Dans la première position de déformation, les premier et second plots d'une même paire (10a, 10b) sont reliés électriquement en série uniquement par l'élément de liaison 11. Dans la seconde position de déformation, l'élément de liaison 11 est en contact électrique avec un plot de dérivation 17 en un matériau de conductivité électrique supérieure aux conductivités électriques de l'élément de liaison 11 et des premier et second plots de la même paire (10a, 10b). Chaque plot de dérivation 17 du module thermoélectrique 1 est électriquement relié à une charge 21 ayant une résistance électrique inférieure à la résistance électrique du module thermoélectrique 1. Selon un second mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, l'élément de liaison entre les plots en matériaux thermoélectriques différents est un bilame de type cloquant. Le module thermoélectrique 1 comporte des éléments semblables à ceux illustrés aux figures 1 et 2 et désignés par des mêmes références. On retrouve notamment des premier et second plots 10a et 10b, disposés entre deux supports 15 et 16. Les deux supports 15 et 16 sont associés respectivement à un côté chaud et un côté froid, ou inversement. Suivant ce mode de réalisation, les supports 15 et 16 peuvent être dépourvus des cavités 18. On retrouve alors des plots de dérivation 17 disposés sur les surfaces en regard des supports 15 et 16. Les premier et second plots 10a et 10b sont reliés entre eux à l'une de leur extrémité par un élément de liaison 11, qui est un bilame de type cloquant. Par bilame de type cloquant, on entend un bilame dans lequel la commutation entre deux positions de déformation, en fonction de sa température, s'effectue par déflexion d'une courbure « cloquante » élastique. En fonction de sa température, l'élément de liaison 11 « cloque » et vient au contact du plot de dérivation 17. Par « cloquer » on entend que la courbure d'une forme concave selon une direction prédéterminée, subit une déflexion de manière à ce que la courbure devienne convexe selon ladite direction. Les matériaux, les dimensions et la forme géométrique du bilame cloquant sont choisis de sorte à fixer la ou les températures de basculement de la première position de déformation à la deuxième position de déformation et inversement. Un bilame cloquant est généralement réalisé par un pressage destiné à former la courbure. La forme de cette courbure, ainsi que la force de pressage permettent notamment d'ajuster les températures de basculement du bilame cloquant. Ce type de bilame permet avantageusement de relâcher les contraintes sur le choix des matériaux et des dimensions du bilame. De ce fait, selon l'architecture et le type du module thermoélectrique 1, l'élément de liaison 11 peut être intégré et adapté en ajustant les caractéristiques de la courbure du bilame cloquant. Comme illustré à la figure 4, l'élément de liaison 11 comporte une courbure concave selon l'axe (oy) formant une cavité 19 munie d'un fond 20. L'espace délimité entre la cavité 19 et le support 15 comporte le plot de dérivation 17. Le fond 20 de la cavité 19 est séparé du plot de dérivation 17, définissant ainsi une première position de déformation dans laquelle les premier et second plots 10a et 10b sont reliés électriquement en série uniquement par l'élément de liaison 11. Comme illustré à la figure 5, en fonction de sa température, l'élément de liaison 11 bascule de la première position de déformation à une seconde position de déformation dans laquelle le fond 20 est en contact avec le plot de dérivation 17. Le plot de dérivation 17 est en un matériau ayant une conductivité électrique supérieure aux conductivités électriques de l'élément de liaison 11 et des premier et second plots 10a et 10b. Le plot de dérivation 17 est également relié électriquement à une charge 21 (non représentée sur les figures 4 et 5) via une piste de connexion 17' destinée à acheminer un courant électrique vers la charge 21. La piste de connexion 17' est préférentiellement à base du même matériau que le plot de dérivation 17. La charge 21 a une résistance électrique inférieure à la résistance électrique du module thermoélectrique 1. Ainsi, le contact électrique créé entre l'élément de liaison 11 et le plot de dérivation 17 permet de dévier le courant électrique vers la charge 21, ce qui permet de désactiver le thermocouple 12 en particulier et le module thermoélectrique 1 en général. Comme illustré à la figure 5, le plot de dérivation 17 est disposé de manière à ce qu'il arrête la course de l'élément de liaison 11 au cours de son « cloquage », permettant ainsi d'établir un contact électrique entre l'élément de liaison 11 et le plot de dérivation 17 et la déviation du courant électrique circulant habituellement entre les premier et second plots 10a et 10b via l'élément de liaison 11. Préférentiellement, l'élément de liaison 11 comporte une zone centrale 11C disposée entre deux extrémités 11e interposées entre les extrémités des premier et second plots 10a et 10b et le support 15. La zone centrale 11c de l'élément de liaison 11 a la forme d'une courbure concave selon l'axe (oy) de manière à former la cavité 19. L'élément de liaison 11 est, de préférence, configuré et disposé de manière à ce que les extrémités 11e reste toujours fixées entre les premier et second plots 10a et 10b et le support 15. Uniquement la partie centrale 11c cloque, ce qui permet d'éviter les problèmes de tenues mécaniques au niveau des premier et second plots 10a et 10b. Le contact entre l'élément de liaison 11 et le plot de dérivation 17 peut également être effectué après le « cloquage » total de l'élément de liaison 11. Autrement dit, la cavité 19 se retourne de manière à ce que l'élément de liaison 11 soit en contact avec le plot de dérivation 17. On entend par retournement de la cavité 19, le fait que la courbure formant la cavité 19 se transforme d'une courbure concave en une courbure convexe selon l'axe (oy), ou inversement.