Brevet FR3093246A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : module D'ALIMENTATION thermoélectrique DE DISPOSITIF DE MESURE POUR TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR [0001] L'invention concerne le domaine général des capteurs embarqués utilisés dans l'aéronautique pour suivre l'état ou le fonctionnement de tout ou partie d'une turbomachine. [0002] Plus précisément, elle concerne les modules d'alimentation de ces capteurs. [0003] Les turbomachines sont aujourd'hui classiquement équipées de capteurs embarqués (capteurs de contraintes, capteurs de température, etc.). [0004] Les mesures de ces capteurs sont par exemple utilisées en fonctionnement, à des fins d'optimisation du fonctionnement de la turbomachine ; elles peuvent également être utilisées à des fins de maintenance des équipements [0005] De tels capteurs doivent être alimentés électriquement afin de fonctionner, malgré les sollicitations thermiques et mécaniques imposées par leur environnement. 100061 En fonction des contraintes d'installation de ces capteurs, par exemple dans des zones confinées ou fortement sollicitées thermiquement, il n'est pas toujours possible de tirer des fils d'alimentation de manière à connecter les capteurs à une source de puissance centralisée, ni d'y accoler un système de batteries, bien souvent trop volumineux. 100071 Dans de telles configurations d'installation, par exemple en présence de fortes contraintes d'encombrement, des modules thermoélectriques peuvent être utilisés pour alimenter les capteurs, tirant profit des gradients thermiques disponibles à proximité de la zone d'implantation du capteur. 100081 Le fonctionnement d'un module thermoélectrique est basé sur l'exploitation de l'effet Seebeck : une différence de potentiel est générée entre deux points de jonction de conducteurs de natures différentes soumis à une différence de température. 100091 Classiquement, un module thermoélectrique tel que représenté en figure 1 est constitué de plusieurs éléments permettant de convertir un gradient thermique entre une zone « froide » et une zone « chaude » en différence de potentiel, notamment d'une succession de couples comportant une jambe de type n (jambe 2), et une jambe de type p (jambe 3), chaque couple étant associé à un élément d'interconnexion 4 reliant les deux jambes 2 et 3. 100101 Les éléments d'interconnexion 4 sont disposés au contact de deux plaques conductrices C, unc plaque support C étant au contact des éléments d'interconnexion 4 faisant liaison d'une première jambe 2 à une deuxième jambe 3 dans le sens dc cir- 2 culation du courant, l'autre plaque support C étant au contact des éléments d'interconnexion 4 faisant liaison d'une deuxième jambe 3 à une première jambe 2 dans le sens de circulation du courant. [0011] Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d'ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe n/ jambe p. [0012] Par plaque conductrice C. il est entendu un conducteur thermique et isolant électrique, de manière à homogénéiser le gradient dc température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d'uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d'interconnexion 4 en contact avec la même plaque. [0013] Ces différents éléments sont agencés de manière à former un circuit électrique dans un module de manière à cumuler la différence dc potentiel générée par chaque couple n / p. [0014] De nombreux matériaux thermoélectriques existent aujourd'hui, présentant des plages de température de fonctionnement différentes selon les matériaux les constituant. [0015] Pour les applications aéronautiques, particulièrement les turbomachines, les tem- pératures de fonctionnement sont souvent comprises entre 600°C et 1000°C. [0016] Néanmoins, les sollicitations spécifiques développées par les structures aéronautiques imposent au module thermoélectrique d'être résistant : [0017] - Au cyclage thermique, induit par les transitoires entre le décollage, la croisière et l'atten-issage ; [0018] - Au vieillissement longue durée à température élevée, la maintenance de ces modules devant être cohérente de celle des pièces auxquelles ils sont fixés ; [0019] - A l'oxydation sous ah-, les environnements turbines étant obligatoirement sous air et à température élevée. [0020] La présente invention cherche donc à répondre à ces exigences en proposant un as- semblage de matériaux compatibles et permettant de remplir la fonction de générateur électrique. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION [0021] Un but de l'invention est de proposer une cellule thermoélectrique qui résiste aux conditions environnementales liées à une utilisation dans une turbomachine. [0022] Un autre but de l'invention est de maximiser la cohérence mécanique de la cellule thermoélectrique, en limitant les phénomènes de délamination et les contraintes internes. [0023] Un autre but de l'invention est d'optimiser la compatibilité chimique des différentes phases de la cellule thermoélectrique. [0024] Un autre but de l'invention est de réaliser une cellule thermoélectrique capable de 3 générer une couche d'oxyde protectrice lorsqu'elle est soumise à des conditions oxydantes. [0025] L'invention propose un module d'alimentation thermoélectrique pour dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, le module d'alimentation thermoélectrique comportant deux plaques support sensiblement parallèles, une première jambe de type n s'étendant d'une plaque à l'autre plaque, une deuxième jambe de type p s'étendant d'une plaque à l'autre plaque, et un élément d'interconnexion connecté d'une part à la première jambe et d'autre part à la deuxième jambe, dans lequel : [0026] - la première jambe comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium, [0027] - la deuxième jambe comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium. [0028] - l'élément d'interconnexion comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium. [0029] Optionnellement mais avantageusement, un tel dispositif est complété par les caracté- ristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : [0030] - l'élément d'interconnexion comporte une phase de TiMnSi2 et une phase de TiFeSin [0031] - l'élément d'interconnexion comporte une première zone en contact avec la première jambe et une deuxième zone en contact avec la deuxième jambe, dans lequel la première zone comporte du TiFeSi2 et la deuxième zone comporte du TiMnSi2 ; [0032] - la première jambe comporte une phase de FeSi2, et la deuxième jambe comporte une phase de [0033] - la première et/ou la deuxième jambe comporte un élément de dopage choisi parmi l'Aluminium, le Chrome, le Cobalt, le Germanium, le Bore, l'Antimoine, le Tellure, le Phosphore, le Carbone, l'Azote, le Fluor, le Soufre, ou une combinaison de ceux-ci ; [0034] - la proportion massique d'éléments de dopage dans le matériau formant la première et/ou la deuxième jambe est inférieure à 10%; [0035] - l'élément d'interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si. [0036] Selon un autre aspect, l'invention propose également un dispositif de mesure pour turbomachine comportant un capteur et une unité d'alimentation configurée pour alimenter en énergie ledit capteur, dans lequel le module d'alimentation est un module selon l'invention. [0037] Selon un autre aspect encore, l'invention propose un procédé de fabrication d'une cellule thermoélectrique selon l'invention comprenant les étapes de : [0038] - SI: Elaboration de phases de MnSil, et de FeSi, par fusion ou frittage ; [0039] - S2: Elaboration de phases de TiMnSi2, TiFeSin par un procédé de fusion ou de frittage ; [0040] - S3 : Mise en contact de la phase de MnSil, avec la phase de TiMnSi2, de la phase de TiMnSi2 avec la phase de TiFeSi,, et de la phase de TiFeSi2 avec la phase de FeSi2; [0041] - 54: Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et so- lidariser les différents éléments. [0042] Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'une cellule thermoélectrique selon l'invention, comprenant les étapes de : [0043] - S1 : Elaboration de phases de MnSiu et de FeSin par fusion ou frittage ; [0044] - S2' : Elaboration d'une phase de Mno,,FeusSi par un procédé de fusion ou de frittage ; [0045] - S3' : Mise en contact de la phase de MnSiu avec la phase de Mn0iFe0,5,Si, de la phase de MnFe0,5Si avec la phase de FeSi,; [0046] - S4: Pressage à chaud ou frittage flash de l'ensemble de manière à densifier et so- lidariser les différents éléments. [0047] Selon un autre aspect, l'invention propose une turbomachine comportant un dispositif de mesure embarqué comportant un module d'alimentation thermoélectrique selon l'invention. Brève description des dessins [0048] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la des- cription qui suit, laquelle est purement illustrativc et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : [0049] [fig.1] [0050] - la figure 1 est unc représentation schématique d'une cellule thermoélectrique selon l'art antérieur; [0051] [fig.2] [0052] - la figure 2 est unc représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l' invention ; [0053] [fig.3] [0054] - la figure 3 est unc représentation schématique des étapes d'un procédé de fa- brication d'unc cellule thermoélectrique selon l'invention. [0055] DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE et DE rÉalisation [0056] Généralités [0057] Un dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, tel qu'illustré en figure 2, comporte un capteur 6 et une unité d'alimentation 7 configurée pour alimenter en énergie le capteur 6. [0058] Le capteur 6 peut être un capteur de température, de contraintes, de pression, ou tout autre type de capteur. [0059] L'unité d'alimentation 7 comporte un module d'alimentation thermoélectrique 8 comportant : [0060] - deux plaques support 12 sensiblement parallèles, [0061] - une première jambe 9 de type n s'étendant d'une plaque 12 à l'autre plaque 12, [0062] - une deuxième jambe 10 de type p s'étendant d'une plaque 12 à l'autre plaque 12, et [0063] - un élément d'interconnexion 11 connecté d'une part à la première jambe 9 et d'autre part à la deuxième jambe 10. [0064] La première jambe 9 comporte une phase d'un alliage de Fer et de Silicium. [0065] La deuxième jambe 10 comporte une phase d'un alliage de Manganèse et de Silicium. [0066] L'élément d'interconnexion 11 comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium. [0067] Le module d'alimentation thermoélectrique 8 comporte une pluralité de premières jambes 9 de type n de deuxièmes jambes 10 de type p, une pluralité d'éléments d'interconnexion 11 étant chacun connectés d'une part à une première jambe 9 et d'autre part à une deuxième jambe 10. [0068] Les éléments d'interconnexion 11 sont maintenus au contact de plaques 12, une plaque 12 étant au contact des éléments d'interconnexion 11 faisant liaison d'une première jambe 9 à une deuxième jambe 10 dans le sens de circulation du courant, l'autre plaque 12 étant au contact des éléments d'interconnexion 11 faisant liaison d'une deuxième jambe 10 à une première jambe 9 dans le sens de circulation du courant. [0069] Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d'ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe ni jambe p. [0070] Les bornes du circuit ainsi formées sont connectées aux bornes du capteur 6, permettant ainsi d'alimenter le capteur 6 en énergie lorsque le module d'alimentation thermoélectrique 8 est soumis à un gradient de température. [0071] Une plaque 12 peut être placée au contact d'un corps ou un milieu chaud dans la tur- bomachine, l'autre plaque étant au contact d'un corps ou un milieu moins chaud, de manière à générer une différence de potentiel entre les bornes du module d'alimentation thermoélectrique 8 sous l'effet du différentiel de température entre les plaques 12. [0072] Avantageusement, les plaques 12 sont réalisées en matériau conducteur thermique et non conducteur électrique, de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d'uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d'interconnexion 4 en contact avec la même plaque. [0073] Les compositions de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion 11 permettent notamment de favoriser la cohésion et la compatibilité 6 chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de phases secondaires non désirées aux zones d'interface entre : [0074] - la première 9 et l'élément d'interconnexion 11, et [0075] - la deuxième 10 jambe et l'élément d'interconnexion 11. [0076] Cela permet notamment ne pas former de phases secondaires qui modifieraient la conductivité électrique, thermique ou le coefficient Seebeck des matériaux. [0077] L'utilisation d'alliages comportant du Silicium permet en outre de former des oxydes stables même lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, par exemple une couche de silice qui formerait une protection en surface de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion 11. [0078] Les matériaux choisis présentent également l'avantage d'éviter une dépendance à des matériaux rares ou stratégiques, en limitant leur utilisation. [0079] L'élément d'interconnexion [0080] Dans un mode de réalisation, l'élément d'interconnexion 11 peut comporter une phase de TiMnSi2 et une phase de TiFeSi2. [0081] L'utilisation de telles phases permet d'assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux. [0082] Ces phases présentent également une bonne capacité à générer des oxydes pro- tecteurs, notamment de la silice. [0083] Les phases de TiMnSi2 et de TiFeSi2 présentent des coefficients de dilatation thermique proches des matériaux de jambe, ce qui permet de limiter l'apparition de contraintes internes dans l'élément d'interconnexion 11 lorsqu'il monte ou descend en température, permettant de favoriser la cohérence mécanique du module. [0084] Dans un mode de réalisation, l'élément d'interconnexion 11 peut comporter une première zone Ill en contact avec la première jambe 9 et une deuxième zone 112 en contact avec la deuxième jambe 10, dans lequel la première zone 1 1 1 comporte du TiFeSi2 et la deuxième zone 112 comporte du TiMnSi2. [0085] Cela permet d'améliorer la cohésion et la compatibilité chimique entre la première jambe 9 et l'élément d'interconnexion 11 et entre la deuxième jambe 10 et l'élément d'interconnexion. [0086] Avantageusement, la proportion volumique en phases de TiMnSi2 et TiFeSi2 dans la microstructure est supérieure à 94%. [0087] Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d'éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau. [0088] En variante, l'élément d'interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si. 7 [0089] L'utilisation d'une telle phase permet d'assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l'élément d'interconnexion 11, ce qui permet d'éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux. [0090] Cette phase présente également une bonne capacité à générer des oxydes protecteurs, notamment de la silice. [0091] L'avantage d'utiliser une phase principale de Mno.,Pc"Si est d'optimiser l'homogénéité des caractéristiques physiques de l'élément d'interconnexion 11, de manière à limiter l'apparition de contraintes internes. [0092] Avantageusement, la proportion volumique en phase de Mn0,5Fe0.5Si dans la micro- structure est supérieure à 94%. [0093] Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d'éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau. [0094] Les iambes [0095] Dans un mode de réalisation, la première jambe 9 peut comporter une phase de FeSi2, et la deuxième jambe 10 comporte une phase de MnSi1,7. [0096] Ces composés ont des coefficients de dilatation thermique proches l'un de l'autre, ce qui permet de limiter les risques de délaminage aux interfaces. En outre, leurs coefficients de dilatation thermique sont proches des coefficients de dilatation thermique du TiMnSi2, du TiFeSi2, et du Mno,,PeoSi. Cela permet de limiter l'apparition de contraintes au niveau des zones d'interfaces entre les jambes 9, 10 et l'élément d'interconnexion. [0097] En outre, les phases de FeSi, et de MnSi1,7 présentent une capacité à générer une couche d'oxyde protectrice, et ne forment pas de phases secondaires aux interfaces avec le TiMnSi,, le TiFeSi2, ou le Mn0,5Fe0oSi. [0098] Optionnellement, la première jambe 9 et/ou la deuxième jambe 10 peut comporter des éléments de dopage, ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques des matériaux les constituant. [0099] Les éléments de dopage peuvent être choisis parmi : [0100] - les métaux, par exemple l'Aluminium, [0101] - les métaux de transition, par exemple le Chrome, le Cobalt, [0102] - les métalloïdes, comme le Germanium, le Bore, l'Antimoine, le Tellure, [0103] - les non-métaux, comme le Phosphore, le Carbone, l'Azote, le Fluor, le Soufre. [0104] Dans un mode de réalisation, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) peuvent comporter une proportion volumique supérieure à 90% de FeSi, (respectivement de MnSiu) et une proportion volumique d'oxydes dispersés dans le massif (silice, oxydes provenant d'éléments de dopage, ...) inférieure ou égale à 10%. 8 [0105] Ce rapport de proportions permet notamment d'éviter la formation de phases néfastes pour les propriétés du matériau. La proportion d'oxyde dans le massif permet de modifier la conductivité thermique des jambes et d'optimiser les performances thermoélectriques de chacune d'elles. [0106] Avantageusement, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) présentent une proportion de phases riches en Silicium inférieure à 10% du volume total. [0107] TI est entendu par phase riche en Silicium une phase dans laquelle la concentration atomique en Silicium est supérieure à 70%. [0108] Ce rapport de proportion permet de modifier les propriétés de conduction électrique des jambes et ainsi d'en optimiser les performances thermoélectriques. [0109] Procédé de fabrication [0110] Un module d'alimentation thermoélectrique 8 peut être fabriqué par un procédé comportant les étapes suivantes : [0111] S1 : Elaborer des phases de MnSi,, et de FeSi2 par un procédé de fusion ou de mé- tallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash. [0112] Dans un mode de réalisation, des poudres métalliques sont disposées dans un moule puis chauffées jusqu'au point de fusion d'au moins un des différents éléments en présence. [0113] En variante, les poudres peuvent être compressées et chauffées à une température proche de leur point de fusion, de manière à solidariser les grains de poudre entre eux. [0114] A la place du chauffage, un courant peut être injecté à travers les poudres, de manière à générer des arcs provoquant un chauffage local des grains de poudre amenant à solidariser les grains de poudre entre eux. [0115] Optionnellement, des éléments dopants peuvent être ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques de ces phases. [0116] Les matériaux obtenus seront dénommés respectivement MS et FS par la suite. [0117] S2 : Elaborer les phases TiMnSi2, TiFeSi2 par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash. [0118] Dans un mode de réalisation, au cours d'une étape S2' on élabore une phase de Mno,s. Feo.,Si par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash. [0119] S3 : Mettre en contact les différentes phases que ce soit sous forme solide, poudre, ou une combinaison des deux suivant les séquences suivantes : MS/TiMnS12/TIFeSi2/FS. [0120] La phase de MnSiuest ainsi mise en contact avec la phase de TiMnSin, la phase de TiMnSin avec la phase de TiFeSin, et la phase de TiFeSin avec la phase de FeSi2. [0121] Dans un autre mode de réalisation, au cours d'une étape S3', la phase de MnSiuest mise en contact avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, et la phase de Mn0.5Fe0.5Si avec la phase 9 de FeSi,. [0122] S4 : Réaliser la jonction et/ou densification des différents éléments en une étape par pressage à chaud ou par frittage flash. [0123] Les caractéristiques en tout point du module des microstructures obtenues sont les suivantes : [0124] - Pour les matériaux interconnecteurs (TiMnS12/TiFeSin/ Mn,,,Feu,sSi) : - Densité relative >94% - Proportion volumique des phases TiMnSin, TiFeSi,, Mn0sFe0,,Si dans la microstructure >94 'ol% Pour les matériaux MS et FS : - Densité relative >90% - Proportion volumique des phases MS et FS dans la microstructure >90 vol% - Proportion volumique d'oxydes (A1203, Cr20-,,, MnO, MgO, Si02, ...) 70 at%)