Brevet FR3035270A1 — publié le 20161021

Sécurisation des liaisons électriques dans un dispositif thermoélectrique L'invention concerne la sécurisation des liaisons électriques dans un dispositif thermoélectrique appartenant à un générateur thermoélectrique. Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des dispositifs thermoélectriques utilisant des éléments, dits thermoélectriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées, dites faces actives, selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un premier circuit, destiné à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et un deuxième circuit, destiné à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermoélectriques sont disposés entre le premier et le deuxième circuit 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. Les éléments thermoélectriques sont reliés entre eux par des connecteurs électriques disposés sur les faces actives des éléments thermoélectriques afin de transmettre l'électricité d'une face active d'un élément thermoélectrique à une face active d'un autre élément thermoélectrique. Ces connecteurs électriques, appelés communément électrodes, sont soumis à des cycles thermiques auxquels est exposé le module thermoélectrique. En effet, tandis que le circuit de refroidissement contient un fluide toujours froid, le circuit de circulation des gaz est alternativement « froid » et « chaud ». En effet, au démarrage la circulation de gaz est froide (ou plutôt tiède) car le moteur est froid. En condition de roulage, la température des gaz est importante et variable. Elle varie en fonction des conditions de fonctionnement, d'où l'apparition de cycles thermiques chaud/froid. Ensuite quand le moteur est à l'arrêt, il n'y a plus de circulation de gaz et le dispositif refroidit. Ces cycles thermiques provoquent des déformations du connecteur, avec alternativement des phénomènes de dilatation et de contraction. A terme, ces déformations sont susceptibles d'occasionner un phénomène de rupture de type fatigue, entraînant la défaillance du connecteur puisqu'il ne peut plus jouer son rôle de conducteur électrique. Cette défaillance est dommageable, que le connecteur fasse partie d'un arrangement de connexions série ou parallèle ou mixte, et conduit à une baisse très importante de la puissance électrique produite par le dispositif. 3035270 2 Il existe des gaines rétractables qui viennent envelopper les dispositifs thermoélectriques afin d'assurer une liaison mécanique solide entre les éléments thermoélectriques et d'absorber les jeux de fonctionnement, notamment lors des cycles thermiques. Or l'ajout de ces gaines représente une étape supplémentaire dans 5 l'assemblage des dispositifs, et sa mise en place n'est pas évidente. De plus, elle ne peut que retarder, mais non empêcher, la formation de zones de contrainte sur les pièces soumises aux cycles thermiques, et donc le risque de rupture de la connexion électrique entre les éléments thermoélectriques à long terme reste un problème non résolu. La présente invention vise à améliorer la situation en garantissant une connexion 10 électrique entre deux éléments thermoélectriques quelles que soient la quantité et l'intensité des cycles thermiques auxquels ils sont soumis. Ainsi, l'invention concerne un connecteur électrique pour un dispositif thermoélectrique, ledit connecteur étant configuré pour relier deux mêmes faces d'un 15 premier et d'un deuxième éléments thermoélectriques. Ce connecteur électrique se caractérise à titre principal en ce qu'il comprend une paroi périphérique d'axe central X dotée de moyens de limitation de la propagation d'une amorce de rupture. 20 Ainsi, le connecteur électrique en lui-même est capable de limiter, voire de stopper, le phénomène de rupture qui peut avoir lieu, tout en continuant à assurer la connexion électrique entre les éléments thermoélectriques. L'ajout d'une gaine ou d'un autre composant n'est pas nécessaire. C'est l'architecture même du connecteur électrique qui répond au problème technique posé, à savoir la sécurisation de la liaison électrique, 25 l'assemblage du dispositif thermoélectrique restant quant à lui inchangé. Selon les différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : lesdits moyens de limitation de la propagation d'une amorce de rupture consistent 30 en au moins un interstice pratiqué dans la paroi périphérique du connecteur électrique et se développant longitudinalement dans une direction parallèle à l'axe X; ledit connecteur électrique comprend une pluralité d'interstices parallèles le divisant en une pluralité de bandes électriques parallèles reliant les premier et 35 deuxième éléments thermoélectriques ; ledit connecteur électrique est en forme de bague dont la paroi périphérique tubulaire comprend la pluralité d'interstices et de bandes électriques parallèles ; 3035270 3 la largeur de chaque bande électrique est inférieure ou égale à 2*rr*r*15/100, r étant le rayon moyen de la bague ; la largeur de chaque bande électrique est de préférence inférieure ou égale à u*r*15/100, r étant le rayon moyen de la bague ; 5 ladite paroi périphérique tubulaire de la bague se compose de deux portions annulaires coaxiales d'extrémité reliées entre-elles par la pluralité de bandes électriques ; la longueur de la bague correspond à l'épaisseur d'au moins quatre éléments thermoélectriques ; 10 le connecteur électrique est fabriqué dans un matériau métallique de type aluminium, cuivre, ou encore nickel. L'invention concerne également un dispositif thermoélectrique comprenant au moins deux éléments thermoélectriques, dits premier et deuxième éléments thermoélectriques 15 susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces actives une desdites faces actives étant destinée à échanger thermiquement avec une première source alternant chaud et froid du gradient de température et l'autre desdites faces actives étant destinée à échanger thermiquement avec une deuxième source froide du gradient de température pour générer ledit courant 20 électrique, ledit dispositif comprenant en outre un connecteur électrique tel que décrit ci- dessus reliant deux même faces actives des premier et deuxième éléments thermoélectriques. Selon les différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris 25 ensemble ou séparément : chaque élément thermoélectrique consiste en une rondelle dont le pourtour extérieur circulaire constitue une première face active et le pourtour circulaire de l'orifice intérieur constitue une deuxième face active ; ledit connecteur électrique est positionné à l'extérieur des rondelles contre 30 lesdites premières faces actives et est apte à venir au contact de la première source ; ledit connecteur est positionné à l'intérieur des rondelles contre lesdites deuxièmes faces actives et est apte à venir au contact de la deuxième source. 35 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 : 3035270 4 la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un dispositif thermoélectrique selon l'art antérieur, appartenant à un générateur thermoélectrique ; les figures 2a, 2b, 2c montrent les étapes chaud/froid auxquelles sont soumis les éléments thermoélectriques de manière classique ; 5 les figures 3a, 3b illustrent l'évolution d'une amorce de rupture dans un dispositif thermoélectrique ; la figure 4a montre un connecteur électrique selon l'invention ; la figure 4b est une vue agrandie d'une partie du connecteur selon l'invention ; la figure 4c illustre une amorce de rupture dans un connecteur selon l'invention ; 10 la figure 5 est une vue éclatée d'un assemblage de quatre éléments thermoélectriques avec trois connecteurs selon l'invention ; la figure 6 est une coupe longitudinale d'un dispositif thermoélectrique selon l'invention, appartenant à un générateur thermoélectrique. 15 La figure 1 illustre un exemple de dispositif 1 thermoélectrique classique. Ce dispositif comprend ici une première source 2, dite chaude, apte à permettre la circulation d'un premier fluide, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et une seconde source 3, dite froide, apte à permettre la circulation d'un second fluide, notamment 20 un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. Le dispositif 1 comprend une pluralité d'éléments 4, 5 thermoélectriques, ici de formes annulaires, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient 25 de température exercé entre deux de leurs faces, l'une 15, dite première face active, étant définie par une surface de périphérie extérieure, cylindrique, et l'autre 16, dite seconde face active, étant définie par une surface de périphérie intérieure, cylindrique. Lesdites première et seconde faces 15, 16 sont, par exemple, de section circulaires. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible. 30 De tels éléments 4, 5 fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans un connecteur électrique 6, 7 connecté entre lesdites faces 15, 16 soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments 4, 5 sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). 35 Les éléments 4, 5 thermoélectriques pourront être, pour une première partie, des éléments 4 d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel 3035270 5 électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments 5 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. 5 Les éléments 4, 5 thermoélectriques représentés sur toutes les figures sont constitués d'un anneau en seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau. 10 Sur la figure 1, lesdits éléments 4, 5 thermoélectriques sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale ; ils alternent entre éléments P et éléments N. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces planes, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité 15 électrique. Lesdits éléments 4, 5 thermoélectriques sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément 4 thermoélectrique de type P et d'un dit élément 5 thermoélectrique de type N, et ledit dispositif 1 est configuré pour permettre une circulation 20 de courant entre les premières faces actives 15 des éléments thermoélectriques d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes faces actives 16 de chacun des éléments thermoélectriques de ladite même paire et l'élément thermoélectrique voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermoélectriques 15, 16 disposés les uns à côtés des autres, comme illustré par 25 les petites flèches. Le dispositif de l'invention comprend en outre des connecteurs 6, 7 entre les premier et deuxième éléments 4, 5 thermoélectriques. Ces connecteurs 6, 7 sont en forme de bague d'axe central X. Par exemple, le long de la direction X, une bague d'un premier type 6 est 30 systématiquement prévue entre un élément 5 thermoélectrique de type N et un élément 4 thermoélectrique de type P. Une bague d'un second type 7 est systématiquement prévue entre un élément 4 thermoélectrique de type P et un élément 5 thermoélectrique de type N. Lesdites bagues 6, 7 diffèrent par leur diamètre. Ainsi, la bague 6 prévue entre un 35 élément 5 thermoélectrique de type N et un élément 4 thermoélectrique de type P sera d'un diamètre supérieur à la bague 7 prévue entre ledit élément 4 thermoélectrique de type P et l'élément 5 thermoélectrique de type N suivant. 3035270 6 Autrement dit, pour le dispositif 1 thermoélectrique selon l'invention, deux jeux de bagues 6, 7 de tailles différentes sont nécessaires : un premier pour la liaison électrique côté source froide 3 et un second, de diamètre supérieur, pour le côté source chaude 2. 5 Dans l'exemple choisi sur les figures 2a à 3b, la bague 6 entoure les premières faces actives 15 des éléments 4, 5 thermoélectriques. Cela dit, l'exemple pourrait très bien traiter d'une bague 7 épousant les secondes faces actives 16 des éléments 4, 5 thermoélectriques. Les figures 2a à 2c montrent le cycle thermique auquel sont soumis les éléments 4, 5 10 thermoélectriques et la bague 6. Comme expliqué précédemment, la première source 2 correspond à des gaz d'échappement circulant à l'extérieur des éléments 4, 5 thermoélectriques. Dans la phase de démarrage à froid d'un véhicule, les gaz d'échappement sont froids, et en condition de roulage, ces gaz d'échappement peuvent également présenter une température faible à 15 certains moments en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Cela correspond à la figure 2a. Alternativement, au cours du cycle thermique, ces gaz d'échappement sont chauds, comme en figure 2b, et la bague 6, en contact avec ces gaz, chauffe et a tendance à se 20 dilater longitudinalement. Cependant, comme illustré par les petites flèches représentant les forces de compression, la dilatation des faces actives 15 des thermoéléments a tendance à comprimer la bague 6 et à former une zone 8 radiale de contraintes au niveau de la paroi tubulaire de la bague 6. 25 Puis les gaz sont à nouveau froids, et cette phase de refroidissement entraîne à la fois une contraction des éléments 4, 5 thermoélectriques qui ont alors tendance à s'éloigner l'un de l'autre, et une contraction de la bague 6 qui a alors tendance à rapprocher les éléments 4, 5 thermoélectriques. Cette opposition génère des contraintes dans la bague 6, illustrées par les petites flèches en figure 2c représentant les forces de traction exercées sur 30 la même zone 8 radiale de contraintes de la paroi tubulaire de la bague 6. La contraction radiale de la bague 6, n'est ici pas représentée car les contraintes sont nettement plus faibles. Le delta de température entre les gaz froids et les gaz chauds est suffisamment 35 conséquent pour entraîner une déformation de la bague 6 à chaque utilisation du moteur. 3035270 7 La deuxième source 3 circulant à l'intérieur des éléments 4, 5 thermoélectriques est quant à elle toujours froide, que le moteur soit allumé ou éteint. Après un certain nombre d'occurrences de dilatation et de rétraction, une amorce 9 5 de rupture se produit dans la zone 8 de contraintes de la bague 6, comme illustré en figure 3a. Cette amorce 9 va avoir tendance à s'étendre radialement, jusqu'à entraîner une rupture totale de la bague 6, et couper ainsi la connexion électrique entre les deux éléments 4, 5 thermoélectriques situés de part et d'autre de la ligne de rupture 10. 10 Un exemple préférentiel de l'architecture de la bague 6', 7' selon l'invention est illustrée en figure 4a. Cette bague 6', 7' comprend deux portions 11 annulaires coaxiales d'extrémité reliées entre-elles par une pluralité de bandes 13 électriques parallèles. Un interstice 14 sépare systématiquement deux bandes 13 électriques adjacentes, comme représenté en figure 4b. Chaque interstice 14 se développe longitudinalement, c'est-à-dire 15 dans une direction parallèle à l'axe de symétrie de la bague 6', 7' et dans la direction de circulation des sources 2, 3. La paroi périphérique tubulaire 12 de la bague 6', 7' consiste ainsi en une rangée formée successivement de bandes 13 et d'interstices14, disposée entre deux portions 11 annulaires. 20 Lorsque survient une amorce 9 de rupture sur une bande 13 électrique, la propagation de rupture est immédiatement stoppée par les deux interstices 14 situées de part et d'autre de la bande 13, et ne vient pas dégrader les bandes 13 voisines, comme illustré en figure 4c. Par conséquent, bien qu'une bande 13 soit endommagée et ne puisse plus laisser passer le courant, les autres bandes 13 ne sont pas impactées par cette 25 défaillance et assurent la continuité électrique du circuit, limitant l'impact sur la puissance de sortie. Cette architecture spécifique de la bague 6', 7' permet de sécuriser la connexion électrique entre les éléments 4, 5 thermoélectriques. L'interstice 14 doit être le plus fin possible car il agit comme une résistance électrique 30 dans la bague 6', 7', et fait donc baisser la puissance en sortie. Plus généralement, la résistance électrique R de la bague 6', 7' influence directement la perte de puissance P perte selon la loi suivante : Pperte(W) = R(Q) * 1(A)2, I étant le courant circulant dans la bague 6', 7'. Dans le domaine de l'automobile, il est considéré qu'une baisse de performance de 35 10 à 15% est acceptable sur la durée de vie d'un composant. Aussi la résistance électrique d'une bague 6', 7' ne doit pas augmenter de plus de 15% en cas de défaillance. 3035270 8 En considérant que les espaces des interstices 14 sont négligeables, la résistance électrique d'une bague 6', 7' est inversement proportionnelle au nombre de bandes 13 valides, c'est-à-dire ne présentant pas de défaillance. En considérant ensuite que chaque bague 6', 7' va présenter au moins une 5 défaillance pendant sa durée de vie, alors la perte d'une bande 13 électrique ne doit pas faire augmenter de plus de 15% la résistance électrique de la bague 6', 7'. Par conséquent, la largeur de chaque bande 13 est de préférence inférieure ou égale à 15% du périmètre de la bague 6', 7', soit 2*rr*r*15/100, r étant le rayon moyen de la bague 6', 7', c'est-à-dire la moyenne de ses rayons interne et externe. 10 En considérant que la rupture de deux bandes 13 électriques est probable pendant la durée de vie de la bague 6', 7', il faut alors ajouter un coefficient de sécurité de 1/2. Par conséquent, la largeur de chaque bande 13 est de préférence inférieure ou égale à u*r*15/100. 15 La bague 6', 7' peut être fabriquée de plusieurs manières : à partir d'une feuille métallique dans laquelle les interstices sont perforés, et qui est enroulée puis soudée de manière à former un tube ; à partir d'un tube métallique dans lequel des interstices sont ensuite perforés ; à partir de deux anneaux métalliques entre lesquels ont vient placer une languette 20 métallique formées d'une succession de bandes et d'interstices qu'on enroule et qu'on vient braser aux anneaux. Ce type de bague 6', 7' selon l'invention peut aussi bien être utilisé sur les premières faces actives 15 des éléments 4, 5 thermoélectriques afin d'être en contact avec la première 25 source 2, c'est-à-dire les gaz d'échappement, que sur les deuxièmes faces actives 16 des éléments 4, 5 thermoélectriques afin d'être en contact avec la deuxième source 3, c'est-à-dire le fluide de refroidissement. La figure 5 montre un exemple avec deux bagues 7' de petit diamètre destinées à être brasées sur les deuxièmes faces actives 16, et une bague 6' de grand diamètre destinée être brasée sur les premières faces actives 15. 30 En référence à la figure 6 montrant un exemple préférentiel du dispositif 1' thermoélectrique selon l'invention, les éléments 4, 5 thermoélectriques de chaque type sont doublés, et chaque bague 6', 7' assure ainsi la connexion mixte série /parallèle entre, non pas un élément 4 de type P et un élément 5 de type N, mais entre deux éléments 4 35 successifs de type P, et deux éléments 5 successifs de type N. Le fait de doubler les éléments 4, 5 permet de constituer une sécurité en cas de défaillance d'un élément 4, 5 thermoélectrique. Ainsi, même si un élément 4, 5 d'un doublon est défaillant, l'autre élément 3035270 9 4, 5 du doublon peut toujours continuer à assurer la connexion électrique avec la bague 6', 7' correspondante. Dans ce cas, la longueur de la bague 6', 7' sera adaptée pour connecter aux moins quatre éléments 4, 5 thermoélectriques, deux de type N et deux de type P. Le chemin du courant est représenté par des petites flèches au niveau des éléments 5 4, 5 thermoélectriques et des bagues 6', 7', comme cela était le cas dans la figure 1. Il est à noter que la bague 6', 7' selon l'invention pourrait tout à fait être utilisée dans un dispositif 1 thermoélectrique tel que divulgué en figure 1 avec une connexion électrique à réaliser entre un seul élément 4 de type P et un seul élément 5 de type N.