Brevet FR3011983A1 — publié le 20150417

Ensemble comprenant un élément thermo électrique et un moyen de connexion électrique, module thermo électrique comprenant un tel ensemble et procédé de fabrication dudit ensemble. La présente invention concerne un ensemble comprenant un élément thermo électrique et un moyen de connexion électrique, un module thermo électrique comprenant un tel ensemble, un dispositif thermo électrique comprenant un tel module et un procédé de fabrication dudit ensemble. Actuellement, il a déjà été proposé des modules 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, dites première et deuxième faces de contact, selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Les éléments thermo électriques disposés dans de tels modules sont de deux types : - des éléments de type P permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un 20 gradient de température donné, - des éléments type 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. 25 Les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N. Ils sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un élément thermo électrique de type P et d'un élément thermo électrique de type N. On configure ainsi le module pour permettre une circulation de courant entre les premières faces des éléments thermo 30 électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques de deux paires voisines. Autrement dit, le courant circule en série à travers les éléments thermo électriques en passant alternativement d'un élément thermo électrique de type P à un élément thermo électrique de type N. Pour cela, le module comprend une pluralité de pistes électriques disposées à plat sur les éléments thermo électrique. Chacune des pistes électriques relie les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire ou les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines afin de permettre la circulation de courant décrite précédemment. Il est connu d'assembler les éléments thermo électriques aux premières et deuxièmes pistes électriques par un traitement thermique. Pendant ce traitement thermique, les pistes électriques et les éléments thermo électriques sont amenés à se dilater sous l'effet de la température de façon libre avant que la solidarisation ne s'effectue. Une fois que les pièces à assembler ont atteint la bonne température, la solidarisation se réalise et on commence alors à refroidir l'ensemble. Or, les différentes pièces à assembler ne présentent pas les mêmes coefficients de dilatation. Ainsi, lors du refroidissement, les pièces solidarisées entre elles ne se rétractent pas de la même façon. Cette différence de rétractation engendre un effet de cisaillement entre les pièces assemblées qui risque de les endommager, notamment en créant des fissures et/ou des cassures. L'invention vise à améliorer la situation. Elle concerne pour cela un ensemble d'au moins un premier élément thermo électrique susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites faces de contact et d'un moyen de connexion électrique agencé pour connecter électriquement une première desdites faces de contact dudit élément thermo électrique avec un autre élément thermo électrique, ledit moyen de connexion comprenant une première portion, dite de jonction, débouchant de ladite première face et en prise dans ledit élément thermo électrique de manière à solidariser le moyen de connexion électrique avec l'élément thermo électrique. Ainsi, grâce à l'invention, la solidarisation du moyen de connexion électrique sur l'élément thermo électrique se fait dans la masse d'un matériau thermo électrique composant ledit élément thermo électrique. Il n'est donc plus nécessaire de braser le moyen de connexion électrique à la surface de l'élément thermo électrique et on réduit ainsi le risque de cisaillement des matériaux en contact. On limite de la sorte les risques de cisaillement entre l'élément thermo électrique et le moyen de connexion électrique. Selon d'autres caractéristiques de l'invention qui peuvent être prises ensemble ou séparément : - ledit élément thermo électrique comprend un matériau fritté autour de ladite portion de jonction ; - la portion de jonction du moyen de connexion électrique est agencée pour assurer un transfert thermique entre l'extérieur et l'intérieur dudit élément thermo électrique ; - le moyen de connexion électrique comprend une deuxième portion, éloignée dudit élément thermo électrique ; - ladite deuxième portion est en contact avec ladite portion de jonction ; - ladite deuxième portion est transversale à ladite portion de jonction ; - l'élément thermo électrique est de forme cylindrique de sorte que ladite première face est définie par une surface de périphérie extérieure de l'élément thermo électrique ; - la deuxième portion du moyen de connexion électrique est un anneau entourant coaxialement ledit élément thermo électrique ; - la portion de jonction du moyen de connexion électrique s'étend radialement par rapport à l'élément thermo électrique ; - la portion de jonction du moyen de connexion électrique s'étend axialement par rapport à l'élément thermo électrique ; - ladite portion de jonction comprend une ou plusieurs ailettes, notamment annulaire ; - ladite deuxième portion du moyen de connexion électrique est agencée pour guider un premier fluide en contact avec la portion de jonction du moyen de connexion électrique et/ou en contact avec l'élément thermo électrique. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un ensemble d'au moins un premier élément thermo électrique susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites faces de contact et d'un moyen de connexion électrique agencé pour connecter électriquement une première desdites faces de contact dudit élément thermo électrique avec un autre élément thermo électrique, ledit élément thermo électrique comprenant un matériau thermo électrique, procédé dans lequel : - on dispose une portion de jonction du moyen de connexion électrique dans le matériau thermo électrique, et - on solidarise, notamment par frittage, le matériau thermo électrique et ladite portion de jonction de sorte que ladite portion de jonction débouche de ladite première face et soit en prise dans ledit élément thermo électrique. Avantageusement, on soude une deuxième portion du moyen de connexion électrique à ladite portion de jonction du moyen de connexion électrique de sorte que ladite deuxième portion soit éloignée de l'élément thermo électrique. L'invention concerne également un module thermo électrique 30 comprenant au moins un ensemble tel que défini précédemment. L'invention concerne encore un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, comprenant au moins un module tel que défini précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation présentés à titre illustratif en référence aux figures de dessin annexées. Sur ces figures : - la figure 1 est vue une schématique selon une coupe axiale illustrant un module thermo électrique conforme à l'invention ; - La figure 2 est une vue schématique selon une coupe radiale du module thermo électrique illustré à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 représentant une variante de réalisation du module thermo électrique de l'invention. Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un module thermo électrique 10. Ledit module comprend ici un premier circuit 1, dit chaud, apte à permettre la circulation d'un premier fluide, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et un second circuit 2, dit froid, apte à permettre la circulation d'un second fluide, notamment un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. Le module 10 comprend au moins un ensemble 5 comportant au moins un élément thermo électrique 3, ici deux éléments thermo électrique 3p, 3n, et un moyen de connexion électrique 30 agencé pour connecter électriquement l'élément thermo électrique 3 de l'ensemble 5 et un élément thermo électrique voisin, appartenant au même module ou à un autre. L'élément thermo électrique 3 est ici de forme annulaire et susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces de contact, l'une 4a, dite première face, étant ici définie par une surface de périphérie extérieure, cylindrique, et l'autre 4b, dite seconde face, étant ici définie par une surface de périphérie intérieure, cylindrique. De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces de contact 4a, 4b 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). Ils sont obtenus notamment par frittage d'un matériau thermo électrique. Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments 3p 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 3n 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. A la figure 1, les éléments thermo électrique 3 représentés sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau. Ils pourraient également être de forme non cylindrique sans sortir du cadre de l'invention. Les éléments thermo électriques 3 présentent, par exemple, deux faces planes 6a, 6b parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermo électrique est de section annulaire rectangulaire. Lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n 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 une direction D. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n 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 module 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 3p, 3n disposés les uns à côtés des autres selon la direction D d'extension longitudinale du module thermo électrique. A nouveau pour faciliter la configuration des circuits de circulation de fluide 1, 2, on pourra prévoir que lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n soient disposés les uns par rapport aux autres de façon à ce que leur première et/ou seconde face de contact 4a, 4b soient dans le prolongement l'une de l'autre. Lesdites première et/ou seconde faces de contact 4a, 4b sont ainsi inscrites, par exemple, dans une surface générée par une droite. Pour la circulation des fluides, le module conforme à l'invention pourra comprendre un canal 7 de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde face de contact 4b desdits éléments thermo électriques 3p, 3n. Le ou lesdits canaux 7 de circulation de liquide sont, par exemple, de section circulaire. Ils pourront comprendre des tubes dans lequel circule le liquide. Ledit module pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique 20 disposés entre deux faces 6a, 6b en vis-à-vis d'éléments thermo électriques voisins 3p, 3n selon la direction D d'extension longitudinale du module thermo électrique. Comme visible sur la figure 1, le moyen de connexion électrique 30 de l'invention est agencé pour connecter électriquement la première face de contact 4a avec un autre desdits éléments thermo électriques 3. Le moyen de connexion 30 comprend une première portion 31, dite de jonction, dont au moins une partie 32 est insérée dans l'élément thermo électrique 3 au niveau de sa première face de contact 4a. La portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique 30 est solidarisée à l'élément thermo électrique par frittage du matériau thermo électrique constitutif de l'élément thermo électrique autour de ladite partie 32 insérée dans l'élément thermo électrique 3. Le moyen de connexion comprend ici une deuxième portion 35, éloignée dudit élément thermo électrique 3, c'est-à-dire qu'elle n'est pas au contact de l'élément thermo électrique 3. Elle peut être dans la continuité de matière de la portion de jonction 31 ou rapportée à celle-ci comme illustré sur la figure 1. La deuxième portion 35 pourra alors être solidarisée sur la portion de jonction 31, par exemple, par traitement thermique, notamment par soudure, sans provoquer de cisaillement entre le moyen de connexion électrique 30 et l'élément thermo électrique 3. Autrement dit, la portion de jonction 31 forme un joint de dilatation thermique entre l'élément thermo électrique et la deuxième portion 35 du moyen de connexion 30. La deuxième portion 35 s'étend ici transversalement à la portion de jonction 31. Elle permet ainsi de relier électriquement deux éléments thermo électriques 3 voisins. Dans l'exemple illustré, le moyen de connexion électrique 30 relient les surfaces de périphérie extérieure 4a de deux desdits éléments thermo électriques, prévus adjacents et de types différents. Le moyen de connexion électrique 30 comprend ici une troisième portion 33, par exemple identique à la portion de jonction 31, insérée dans l'élément thermo électrique voisin et solidarisée à ce dernier par frittage du matériau thermo électrique. La troisième portion 33 permet ainsi de connecter électriquement l'élément thermo électrique voisin 3 avec la deuxième portion 35. La deuxième portion 35 du moyen de connexion électrique 30 est avantageusement agencée pour guider le premier fluide autour de la portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique 30 et/ou autour de l'élément thermo électrique 3. La deuxième portion 35 permet ainsi d'améliorer l'efficacité du module thermo électrique 10 en mettant en contact le premier fluide directement avec les éléments thermo électriques. La portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique pourra en outre être conductrice thermique de sorte qu'elle assure, en plus de sa connexion électrique, un transfert thermique entre l'extérieur et l'intérieur dudit élément thermo électrique 3, c'est-à-dire ici entre un espace compris entre la deuxième portion 35 et l'élément thermo électrique 3. La portion de jonction 31 permet ainsi d'améliorer l'efficacité du module thermo électrique 10 en améliorant l'échange thermique entre le premier fluide et les éléments thermo électriques 3. En référence à la figure 2, la portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique 30 comprend des ailettes, notamment un ou des anneaux, ici trois anneaux, entourant coaxialement l'élément thermo électrique 3, c'est-à-dire que la portion de jonction 31 s'étend radialement par rapport à l'élément thermo électrique 3. Un volume intérieur 25 est donc créé entre la deuxième portion 35 et les éléments thermo électriques 3. Le moyen de connexion électrique 30 comprend ici une entrée 36 et une sortie 37 pour le premier fluide, notamment diamétralement opposée. L'entrée 36 et la sortie 37 sont situées en vis-à-vis de la première face de contact 4a de l'élément thermo électrique 3. Le premier fluide peut ainsi entrer dans le volume intérieur 25, longer angulairement le module thermo électrique 10 selon la direction des flèches 38 et ressortir par la sortie 37. Le premier fluide aura alors une circulation transversale par rapport au deuxième fluide circulant dans le canal 7. Sur la figure 3, les ailettes de la portion de jonction 31 s'étendent axialement par rapport à l'élément thermo électrique 3. L'entrée et la sortie du premier fluide se trouve alors en vis-à-vis des faces planes 6a de l'élément thermo électrique 3. L'écoulement du premier fluide se fera ici parallèlement à l'écoulement du deuxième fluide. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication de l'ensemble 5 décrit précédemment, dans lequel - on dispose la portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique 30 dans le matériau thermo électrique, et - on solidarise, en particulier on fritte, le matériau thermo électrique autour de ladite portion de jonction 31. Le procédé prévoit également que l'on soude la deuxième portion 35 du moyen de connexion électrique 30 à ladite portion de jonction 31 du moyen de connexion électrique 30 de sorte que ladite deuxième portion 35 est éloignée de l'élément thermo électrique 3. Cette étape peut avoir lieu avant l'opération de frittage du matériau autour de la portion de jonction 31 mais aura lieu de préférence après. L'invention concerne également un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, comprenant au moins un module tel que décrit précédemment. REVENDICATIONS1. Ensemble (5) d'au moins un premier élément thermo électrique (3) susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites faces de contact (4a, 4b) et d'un moyen de connexion électrique (30) agencé pour connecter électriquement une première (4a) desdites faces de contact dudit élément thermo électrique (3) avec un autre élément thermo électrique, ledit moyen de connexion (30) comprenant une première portion (31), dite de jonction, débouchant de ladite première face (4a) et en prise dans ledit élément thermo électrique (3) de manière à solidariser le moyen de connexion électrique (30) avec l'élément thermo électrique (3). 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel ledit élément thermo électrique (3) comprend un matériau fritté autour de ladite portion de jonction (31). 3. Ensemble (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) est agencée pour assurer un transfert thermique entre l'extérieur et l'intérieur dudit élément thermo électrique (3). 4. Ensemble (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de connexion électrique (30) comprend une deuxième portion (35), éloignée dudit élément thermo électrique (3). 5. Ensemble (5) selon la revendication 4, dans lequel ladite deuxième portion (35) est transversale à la portion de jonction (31). 6. Ensemble (5) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'élément thermo électrique (3) est de forme cylindrique de sorte que ladite premièreface (4a) est définie par une surface de périphérie extérieure de l'élément thermo électrique (3). 7. Ensemble (5) selon la revendication 6, dans lequel la deuxième portion (35) du moyen de connexion électrique (30) est un anneau entourant coaxialement ledit élément thermo électrique (3). 8. Ensemble (5) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) s'étend radialement par rapport à l'élément thermo électrique (3). 9. Ensemble (5) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) s'étend axialement par rapport à l'élément thermo électrique (3). 10. Ensemble (5) selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel ladite deuxième portion (35) du moyen de connexion électrique (30) est agencée pour guider un premier fluide en contact avec la portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) et/ou en contact avec l'élément thermo électrique (3). 11. Ensemble (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite portion de jonction (31) comprend une ou plusieurs ailettes. 12. Procédé de fabrication d'un ensemble (5) d'au moins un premier élément thermo électrique (3) susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites faces de contact (4a, 4b) et d'un moyen de connexion électrique (30) agencé pour connecter électriquement une première (4a) desdites faces de contact dudit élément thermo électrique (3) avec un autre élément thermoélectrique, ledit élément thermo électrique (3) comprenant un matériau thermo électrique, procédé dans lequel : - on dispose une portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) dans le matériau thermo électrique, et - on solidarise le matériau thermo électrique et ladite portion de jonction (31) de sorte que ladite portion de jonction (31) débouche de ladite première face (4a) et soit en prise dans ledit élément thermo électrique (3). 13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, dans lequel : - on soude une deuxième portion (35) du moyen de connexion électrique (30) à ladite portion de jonction (31) du moyen de connexion électrique (30) de sorte que ladite deuxième portion (35) soit éloignée de l'élément thermo électrique (3). 14. Module thermo électrique (10) comprenant au moins un ensemble (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 15. Dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, comprenant au moins un module (10) selon la revendication 14.