Brevet FR3010234A1 — publié le 20150306

B13-2330FR 1 Contrôle de la plage thermique de fonctionnement d'un générateur thermoélectrique L'invention concerne la conversion d'énergie thermique en énergie électrique, et plus particulièrement le contrôle de la plage thermique de fonctionnement de tels systèmes de conversion d'énergie thermique en énergie électrique, plus communément appelés générateurs thermoélectriques. Il existe à ce jour de nombreux types de générateurs thermoélectriques. Une première catégorie de générateurs thermoélectriques rassemble ceux qui comprennent un support et un ensemble de thermocouples tous soumis à un même gradient de température, par exemple lorsqu'une source de chaleur est disposée à une des extrémités des thermocouples et lorsqu'une source froide est disposée à l'autre extrémité. Il se crée alors aux bornes de l'ensemble des thermocouples reliés électriquement en série, une différence de potentiel qui est due à l'effet Seebeck. D'autres générateurs thermoélectriques sont du type microturbine comprenant par exemple des turbines de l'ordre de quelques millimètres de diamètre et adaptées à être intégrées dans des composants électroniques. Un autre type de générateur thermique est décrit dans la demande de brevet n° 2 951 873. Un tel générateur thermoélectrique comprend une pluralité de lamelles bimétalliques disséminées entre un support rigide et une plaque déformable. Le générateur comprend également une couche d'un matériau piézoélectrique disposée du côté de la plaque déformable opposé aux lamelles. Le support rigide est destiné à être en contact avec une source chaude et la plaque élastiquement déformable transmet à la couche piézoélectrique les contraintes mécaniques liées aux déformations des lamelles bimétalliques. Un autre type de générateur thermoélectrique est décrit dans la demande de brevet français n°12 54 054. Un tel générateur comporte un condensateur à capacité variable dont l'une des électrodes est déformable et associée à un bilame capable de se déformer lorsqu'il est soumis à la chaleur d'une source chaude. Le générateur comporte un deuxième condensateur relié au condensateur à capacité variable. La conversion d'énergie thermique en énergie électrique sous forme d'impulsions électriques est obtenue grâce à l'élément déformable du condensateur à capacité variable et un circuit de récupération est connecté électriquement entre une électrode du condensateur à capacité variable et l'électrode homologue du deuxième condensateur, en étant apte à être traversé par le courant circulant entre ces électrodes. Généralement, ces générateurs thermoélectriques sont optimisés pour fonctionner dans une plage étroite de températures prédéterminées. Cependant, lorsque la température de la source chaude varie fortement, pour atteindre des températures se situant en dehors de la plage de fonctionnement optimisé du générateur, le rendement de ce dernier chute fortement et, dans le pire des cas, il présente des anomalies de fonctionnement. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé de rendre moins sensible le fonctionnement d'un générateur thermoélectrique aux variations de température de la source chaude en coopération thermique avec ce générateur thermoélectrique. Selon un aspect, il est proposé un dispositif comprenant -un support configuré pour former une source chaude dont la température est sujette à des variations, -un système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique, ou générateur thermoélectrique, thermiquement couplé audit support et configuré pour fonctionner dans une plage de températures, et -un moyen de liaison, thermiquement commandable par le support, coopérant mécaniquement avec le support et le système de conversion et configuré pour ajuster l'espacement entre le support et le système de conversion en fonction de la température de la source chaude de façon à maintenir la température du système de conversion dans sa plage de températures. Selon un mode de réalisation, le moyen de liaison est thermiquement déformable de façon réversible de façon à adopter des configurations géométriques différentes correspondant à des températures différentes de la source chaude et à des espacements différents. De façon à apporter une précision plus importante dans le contrôle de l'environnement thermique, il est préférable que le moyen de liaison soit thermiquement déformable de façon continue, l'amplitude de cette déformation thermique étant sensiblement proportionnelle à la température. Selon un mode de réalisation, le moyen de liaison comprend au moins un élément formant un bilame situé entre le support et le système de conversion, cet élément formant bilame comportant au moins deux couches de matériau ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Le support formant source chaude peut comprendre une puce de circuit intégré. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de contrôle de la température de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique, coopérant thermiquement avec un support formant source chaude, le procédé comprenant un ajustement de l'espacement entre le support et le système de conversion en fonction de la température du support de façon à maintenir la température du système de conversion dans sa plage de températures de fonctionnement. Selon un mode de mise en oeuvre, ledit ajustement comprend une déformation, activée par la température du support, d'un moyen de liaison thermiquement déformable coopérant mécaniquement avec le support et le système de conversion, le moyen de liaison adoptant des configurations géométriques différentes correspondant à des températures différentes de la source chaude et à des espacements différents. D' autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : -les figures 1 à 4 ont trait à des exemples de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un support, par exemple une puce d'un circuit intégré. En fonctionnement, une telle puce dégage de la chaleur et sa surface supérieure 10 peut atteindre par exemple une température comprise entre 60°C et 150°C. Le dispositif DIS comporte également un générateur thermoélectrique 2 disposé en coopération thermique avec le support 1. Dans l'exemple décrit ici, le générateur thermoélectrique est du type de celui décrit dans la demande de brevet français n° 2 951 873 et comporte notamment plusieurs lamelles bimétalliques 21 disposées entre une plaque rigide 20 et une plaque déformable (non représentée ici à des fins de simplification) supportant un matériau piézoélectrique (non représenté ici à des fins de simplification). Les lamelles 21 peuvent, sous l'effet de la chaleur du support 1 formant source chaude, se déformer pour induire une contrainte mécanique dans la couche piézoélectrique et générer par conséquent un courant. Cela étant, l'invention n'est pas limitée à ce type de générateur thermoélectrique mais s'applique à tous types de générateurs thermoélectriques, comme par exemple ceux comportant des thermocouples ou encore celui décrit dans la demande de brevet français n° 12 54 054. Le dispositif DIS comporte également un moyen de liaison 3, thermiquement commandable par le support (il se déforme par la chaleur dégagée par le support), coopérant mécaniquement avec le support 1 et le générateur thermoélectrique 2 et configuré pour ajuster l'espacement d, entre le support et le générateur thermoélectrique. Le moyen de liaison est ici thermiquement deformable de façon réversible, de façon à adopter des configurations géométriques différentes correspondant à des températures différentes de la source chaude et à des espacements d différents. Dans l'exemple décrit ici, le moyen de liaison comprend au moins un élément 3 formant bilame situé entre le support 1 et le générateur thermoélectrique 2, cet élément comportant au moins deux couches 30 et 31 de matériau ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Le moyen de liaison pourrait comprendre en variante, plusieurs éléments 3 disséminés entre le support 1 et le générateur thermoélectrique 2. Le ou les bilames peuvent être rectangulaires en vue de dessus et peuvent être fixés, par exemple à leurs extrémités opposées, sur le support, tout en étant en contact en leur milieu avec le générateur 2. A titre d'exemple, un choix de matériau pour l'élément 3 peut être un alliage fer/nickel avec environ 36% de fer pour le matériau 31 le plus proche de la source chaude 1, et de l'aluminium pour le matériau 30 le plus éloigné de la source chaude. L'aluminium présente en effet un coefficient de dilatation thermique environ 20 fois plus grand que l'alliage fer/nickel précité. Typiquement, le bilame peut avoir une épaisseur de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres pour la largeur et la longueur. Cela étant, des dimensions plus faibles sont possibles, par exemple quelques dizaines de microns pour l'épaisseur. Dans ce cas, on pourra utiliser un couple silicium/aluminium ou bien titane/cuivre ou bien titane/aluminium. D'une façon plus générale, à titre d'exemple non limitatif, on pourra choisir pour le bilame des matériaux pris parmi les matériaux suivants : aluminium, titane, nitrure de titane, titane polycristallin, cuivre, tungstène, dioxyde de silicium, alliage fer/nickel. Comme illustré sur la figure 2, lorsque la température de la source chaude 1 prend la valeur T2 qui est supérieure à la température Ti de cette source chaude sur la figure 1, l'élément bilame 3 se déforme de façon à repousser le générateur thermoélectrique 2. En d'autres termes, l'espacement d2 entre la source chaude 1 et le générateur thermoélectrique 2 est alors supérieur à l'espacement d1 correspondant à la température Ti. Ainsi, la température à laquelle est soumis le générateur thermoélectrique 2 reste stable à quelques degrés près même en cas d'une forte augmentation de la température de la source chaude. Dans le cas où la température de la source chaude redescend à la température Ti, la déformation de l'élément 3 est réversible et celui-ci reprend la configuration géométrique qu'il avait sur la figure 1. Bien entendu, les différentes configurations géométriques de l'élément 3 sont ajustées de façon à ce que le générateur thermoélectrique se situe dans sa plage de fonctionnement compte tenu des variations attendues de la source chaude 1. A cet égard, comme illustré sur la figure 3, on choisira de préférence un élément bilame configuré pour avoir une déformation continue en fonction de la température. Un tel élément bilame est bien connu de l'homme du métier et par exemple décrit dans l'ouvrage intitulé « Kanthal Thermostatic Bimetal Handbook, Kanthal AB ». La déformation A est alors proportionnelle à la température T à laquelle est soumis l'élément 3 et est donnée par la formule (I) ci-dessous : A -1c(T -T 0)L2 8s dans laquelle T désigne la température courante, To la température initiale, et k un coefficient dépendant des coefficients de dilatation thermique des matériaux, L est la longueur du bilame et s son épaisseur. Ainsi, comme illustré par la courbe CV de la figure 4, on a une évolution quasiment linéaire de la température en fonction de la distance d. Ainsi, par exemple, lorsque le générateur thermoélectrique est quasiment en contact avec la source chaude, on a une température Ti de l'ordre de 95°C tandis que cette température chute à environ 58°C à une distance de 3 mm. On obtient donc une variation de 37°C pour une excursion de 3 mm par rapport à la surface chaude, ce qui permet de stabiliser la température à laquelle est soumis le générateur thermoélectrique même en présence d'une variation importante de la température de la source chaude. REVENDICATIONS1. Dispositif, comprenant un support (1) configuré pour former une source chaude dont la température est sujette à des variations, un système (2) de conversion d'énergie thermique en énergie électrique, thermiquement couplé audit support et configuré pour fonctionner dans une plage de températures, et un moyen de liaison (3) thermiquement commandable par le support, coopérant mécaniquement avec le support et le système de conversion, et configuré pour ajuster l'espacement (di) entre le support et le système de conversion en fonction de la température de la source chaude de façon à maintenir la température du système de conversion dans sa plage de températures. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de liaison (3) est thermiquement déformable de façon réversible de façon à adopter des configurations géométriques différentes correspondant à des températures différentes de la source chaude et à des espacements différents. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen de liaison (3) est thermiquement déformable de façon continue, l'amplitude de sa déformation thermique étant sensiblement proportionnelle à la température. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de liaison (3) comprend au moins un élément formant bilame situé entre le support et le système de conversion et comportant au moins deux couches de matériaux (30, 31) ayant des coefficients de dilatation thermique différents. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le support (1) formant source chaude comprend une puce de circuit intégré. 6. Procédé de contrôle de la température de fonctionnement d'un système de conversion d'énergie thermique en énergie électrique, coopérant thermiquement avec un support (1) formant source chaude, comprenant un ajustement de l'espacement (di) entre le support (1) et le système de conversion (2) en fonction de la température du supportde façon à maintenir la température du système de conversion dans sa plage de températures de fonctionnement. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit ajustement comprend une déformation, activée par la température du support, d'un moyen de liaison (3) thermiquement deformable coopérant mécaniquement avec le support et le système de conversion, le moyen de liaison adoptant des configurations géométriques différentes correspondant à des températures différentes de la source chaude et à des espacements différents.