FR3010234A1

FR3010234A1 - CHECKING THE THERMAL RANGE OF OPERATION OF A THERMOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: FR3010234A1
Application number: FR1358259A
Authority: FR
Inventors: Onoriu Puscasu; Stephane Monfray; Thomas Skotnicki
Original assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-06

Abstract

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.Device, comprising a support (1) configured to form a heat source whose temperature is subject to variations, a system (2) for converting thermal energy into electrical energy, thermally coupled to said support and configured to operate in a range of temperatures, and a linkage means (3) thermally controllable by the support, cooperating mechanically with the support and the conversion system, and configured to adjust the spacing (di) between the support and the conversion system as a function of the temperature of the hot source so as to maintain the temperature of the conversion system in its temperature range.

Description

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.The invention relates to the conversion of thermal energy into electrical energy, and more particularly the control of the thermal operating range of such thermal energy conversion systems. B13-2330EN 1 Control of the thermal operating range of a thermoelectric generator in electrical energy, more commonly known as thermoelectric generators. To date, there are many types of thermoelectric generators. A first category of thermoelectric generators gathers those which comprise a support and a set of thermocouples all subjected to the same temperature gradient, for example when a heat source is disposed at one end of the thermocouples and when a cold source is arranged. at the other end. It is then created across the set of thermocouples electrically connected in series, a potential difference that is due to the Seebeck effect. Other thermoelectric generators are microturbine type comprising for example turbines of the order of a few millimeters in diameter and adapted to be integrated in electronic components. Another type of thermal generator is described in patent application No. 2,951,873. Such a thermoelectric generator comprises a plurality of bimetallic lamellae disseminated between a rigid support and a deformable plate. The generator also comprises a layer of a piezoelectric material disposed on the side of the deformable plate opposite to the lamellae. The rigid support is intended to be in contact with a hot source and the elastically deformable plate transmits to the piezoelectric layer the mechanical stresses related to the deformations of the bimetallic lamellae.

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.Another type of thermoelectric generator is described in French Patent Application No. 12 54 054. Such a generator comprises a capacitor with variable capacitance of which one of the electrodes is deformable and associated with a bimetallic strip capable of deforming when it is subjected to the heat of a hot spring. The generator comprises a second capacitor connected to the capacitor with variable capacitance. The conversion of thermal energy into electrical energy in the form of electrical pulses is obtained by virtue of the deformable element of the capacitor with variable capacitance and a recovery circuit is electrically connected between an electrode of the capacitor with variable capacity and the homologous electrode of the capacitor. second capacitor, being able to be traversed by the current flowing between these electrodes. Generally, these thermoelectric generators are optimized to operate in a narrow range of predetermined temperatures. However, when the temperature of the hot source varies greatly, to reach temperatures outside the optimized operating range of the generator, the efficiency of the latter drops sharply and, in the worst case, it has operating anomalies. . According to an embodiment and embodiment, it is proposed to make the operation of a thermoelectric generator less sensitive to temperature variations of the heat source in thermal cooperation with this thermoelectric generator.

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.According to one aspect, there is provided a device comprising a support configured to form a heat source whose temperature is subject to variations, a system for converting thermal energy into electrical energy, or a thermoelectric generator, thermally coupled to said support and configured to operate in a temperature range, and a thermally controllable bonding means, cooperating mechanically with the carrier and the conversion system and configured to adjust the spacing between the carrier and the conversion system as a function of the temperature of the hot source so as to maintain the temperature of the conversion system in its temperature range. According to one embodiment, the connecting means is thermally reversibly thermally deformable so as to adopt different geometric configurations corresponding to different temperatures of the hot source and at different spacings. In order to provide greater precision in the control of the thermal environment, it is preferable for the connecting means to be thermally deformable continuously, the amplitude of this thermal deformation being substantially proportional to the temperature. According to one embodiment, the connecting means comprises at least one element forming a bimetallic strip located between the support and the conversion system, this bimetallic element comprising at least two layers of material having different thermal expansion coefficients. The hot source support may comprise an integrated circuit chip. In another aspect, there is provided a method for controlling the operating temperature of a system for converting thermal energy into electrical energy, cooperating thermally with a hot source support, the method comprising adjusting the spacing between the support and the conversion system according to the temperature of the support so as to maintain the temperature of the conversion system in its operating temperature range. According to an embodiment, said adjustment comprises a deformation, activated by the temperature of the support, of a thermally deformable connection means cooperating mechanically with the support and the conversion system, the connecting means adopting different geometric configurations corresponding at different temperatures from the hot source and at different spacings. Other advantages and characteristics of the invention will appear on examining the detailed description of embodiments and embodiments, in no way limiting, and the accompanying drawings in which: FIGS. 1 to 4 relate to examples implementation and realization of the invention. In FIG. 1, the reference 1 denotes a support, for example a chip of an integrated circuit. In operation, such a chip releases heat and its upper surface 10 can reach for example a temperature between 60 ° C and 150 ° C. The device DIS also comprises a thermoelectric generator 2 arranged in thermal cooperation with the support 1. In the example described here, the thermoelectric generator is of the type described in the French patent application No. 2 951 873 and comprises in particular several lamellae bimetallic 21 disposed between a rigid plate 20 and a deformable plate (not shown here for simplification purposes) supporting a piezoelectric material (not shown here for simplification purposes). The lamellae 21 may, under the effect of the heat of the hot source support 1, deform to induce a mechanical stress in the piezoelectric layer and consequently generate a current.

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.However, the invention is not limited to this type of thermoelectric generator but applies to all types of thermoelectric generators, such as those with thermocouples or the one described in French Patent Application No. 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.The device DIS also comprises a connection means 3, thermally controllable by the support (it is deformed by the heat released by the support), cooperating mechanically with the support 1 and the thermoelectric generator 2 and configured to adjust the spacing d, between the support and the thermoelectric generator.

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.The connecting means here is thermally reversibly deformable, so as to adopt different geometric configurations corresponding to different temperatures of the hot source and at different spacings d.

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.In the example described here, the connecting means comprises at least one bimetallic element 3 located between the support 1 and the thermoelectric generator 2, this element comprising at least two layers 30 and 31 of material having different thermal expansion coefficients.

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.The connecting means could alternatively comprise a plurality of elements 3 disseminated between the support 1 and the thermoelectric generator 2. The bimetallic strip (s) may be rectangular in plan view and may be fixed, for example at their opposite ends, to the support, while being in contact in the middle with the generator 2. For example, a choice of material for the element 3 may be an iron / nickel alloy with about 36% iron for the material 31 closest to the hot source 1, and aluminum for the material furthest away from the hot source. Aluminum has a coefficient of thermal expansion approximately 20 times greater than the aforementioned iron / nickel alloy. Typically, the bimetallic strip may have a thickness of the order of a few tenths of a millimeter and a few centimeters for the width and the length. However, smaller dimensions are possible, for example a few tens of microns for the thickness. In this case, it will be possible to use a pair of silicon / aluminum or else titanium / copper or else titanium / aluminum. In a more general manner, by way of non-limiting example, materials of the following materials may be selected for the bimetallic material: aluminum, titanium, titanium nitride, polycrystalline titanium, copper, tungsten, silicon dioxide, iron alloy /nickel. As illustrated in FIG. 2, when the temperature of the hot source 1 takes the value T2 which is greater than the temperature Ti of this hot source in FIG. 1, the bimetallic element 3 is deformed so as to repel the thermoelectric generator 2 In other words, the spacing d2 between the hot source 1 and the thermoelectric generator 2 is then greater than the spacing d1 corresponding to the temperature 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.Thus, the temperature to which the thermoelectric generator 2 is subjected remains stable to a few degrees even in the event of a sharp increase in the temperature of the hot source. In the case where the temperature of the hot source drops back to the temperature Ti, the deformation of the element 3 is reversible and it resumes the geometric configuration that it had in FIG. 1. Of course, the different geometrical configurations of the element 3 are adjusted so that the thermoelectric generator is in its operating range taking into account the expected variations of the hot source 1. In this respect, as illustrated in FIG. 3, a bimetal element will preferably be chosen. configured to have continuous deformation as a function of temperature. Such a bimetallic element is well known to those skilled in the art and for example described in the book entitled "Kanthal Thermostatic Bimetal Handbook, Kanthal AB". The strain A is then proportional to the temperature T to which element 3 is subjected and is given by formula (I) below: A -1c (T -T 0) L 2 8s wherein T denotes the current temperature, At the initial temperature, and k a coefficient dependent on the thermal expansion coefficients of the materials, L is the length of the bimetal and s its thickness. Thus, as illustrated by the curve CV of FIG. 4, there is an almost linear evolution of the temperature as a function of the distance d. Thus, for example, when the thermoelectric generator is almost in contact with the hot source, there is a temperature Ti of the order of 95 ° C while this temperature drops to about 58 ° C at a distance of 3 mm. A variation of 37 ° C is thus obtained for an excursion of 3 mm with respect to the hot surface, which makes it possible to stabilize the temperature to which the thermoelectric generator is subjected even in the presence of a significant variation in the temperature of the source. hot.

Claims

REVENDICATIONS1. Device, comprising a support (1) configured to form a heat source whose temperature is subject to variations, a system (2) for converting thermal energy into electrical energy, thermally coupled to said support and configured to operate in a range of temperatures, and a linkage means (3) thermally controllable by the support, cooperating mechanically with the support and the conversion system, and configured to adjust the spacing (di) between the support and the conversion system as a function of the temperature of the hot source so as to maintain the temperature of the conversion system in its temperature range.

2. Device according to claim 1, wherein the connecting means (3) is thermally deformable reversibly so as to adopt different geometric configurations corresponding to different temperatures of the hot source and at different spacings.

3. Device according to claim 2, wherein the connecting means (3) is thermally deformable continuously, the amplitude of its thermal deformation being substantially proportional to the temperature.

4. Device according to one of the preceding claims, wherein the connecting means (3) comprises at least one bimetal element located between the support and the conversion system and comprising at least two layers of materials (30, 31) having different thermal expansion coefficients.

5. Device according to one of the preceding claims, wherein the support (1) forming a hot source comprises an integrated circuit chip.

A method for controlling the operating temperature of a system for converting thermal energy into electrical energy, cooperating thermally with a hot source support (1), comprising adjusting the spacing (di) between the support ( 1) and the conversion system (2) according to the temperature of the support so as to maintain the temperature of the conversion system in its operating temperature range.

7. The method of claim 6, wherein said adjustment comprises a deformation, activated by the temperature of the support, a connecting means (3) thermally deformable mechanically cooperating with the support and the conversion system, the connecting means adopting different geometrical configurations corresponding to different temperatures of the hot source and at different spacings.