FR3056856B1 - Element, module et generateur thermoelectriques pour vehicule a moteur thermique et procede de fabrication du module - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément thermoélectrique, un module thermoélectrique et un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique, et un procédé de fabrication du module. Cet élément (20a) présente une première et une seconde bases (22) opposées et parallèles, et présente une surface latérale (23) qui s'étend perpendiculairement aux bases que la surface latérale relie entre elles. Selon l'invention, la surface latérale présente : - une première zone périphérique terminale adjacente à la première base, se terminant en deçà de celle-ci et favorisant le brasage d'une première piste de connexion électrique avec l'élément, - une seconde zone périphérique terminale (23b) adjacente à la seconde base, se terminant en deçà de celle-ci et favorisant le brasage d'une seconde piste de connexion électrique (10) avec l'élément, de telle sorte que les contacts électriques entre la première piste et l'élément et entre la seconde piste et l'élément se situent en deçà de la première et de la seconde bases, respectivement, ces pistes étant adaptées pour relier l'élément à un autre élément thermoélectrique de polarité opposée.

Description

ELEMENT, MODULE ET GENERATEURTHERMOELECTRIQUES POUR VEHICULE A MOTEUR THERMIQUE ETPROCEDE DE FABRICATION DU MODULE.

La présente invention concerne un élément thermoélectrique,un module thermoélectrique et un générateur thermoélectrique destiné àéquiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne, ainsi qu’unprocédé de fabrication de ce module. L’invention s’applique à la récupérationd’énergie thermique issue du fonctionnement du véhicule pour générer del’énergie électrique dans le véhicule.

On connaît dans des véhicules automobiles des générateursthermoélectriques utilisant des rangées d’éléments thermoélectriques pourgénérer un courant électrique en présence d'un gradient de température entredeux de leurs faces opposées, par effet Seebeck. Ces générateurscomprennent usuellement un empilement de nappes de tubes chaudsvéhiculant des gaz d'échappement du véhicule et de tubes froids véhiculantun liquide de refroidissement, entre et au contact desquels les élémentsthermoélectriques sont pris en sandwich via : - des pistes de conduction électrique typiquement par brasureau contact des tubes chauds, et - un matériau de contact thermique (type pâte de silicone) aucontact des tubes froids, lequel matériau joue le rôle d’isolant électrique etpermet d’absorber certaines dilatations engendrées par les contraintesthermiques et mécaniques liées à l’empilage.

Ces éléments sont soumis à un gradient de température généré par l’écart detempérature entre ces gaz et ce liquide, de sorte que ces générateurspermettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de ce gradientthermique issu du recyclage des gaz. L’assemblage par brasage d’un module thermoélectrique surles tubes chauds consiste usuellement à connecter à haute température leséléments thermoélectriques sur des pistes métalliques côté chaud et côtéfroid en introduisant un alliage d’apport entre les deux. Or, cet alliage d’apport, comme les pistes électriques elles-mêmes, constitue une résistancethermique entre les sources froide et chaude et ces éléments, ce qui pénaliseleur performance. De plus, les procédés connus de brasage nécessitentl’utilisation de pièces additionnelles complexes, comme des intercalaires debrasage destinés à limiter les contraintes de dilatation différentielle entre leséléments et les pistes métalliques. Ces pièces additionnelles affaiblissentelles aussi le gradient thermique aux bornes des éléments thermoélectriques,limitant du même coup la performance du module. C’est donc toute l’interfacede brasage, notamment constituée des pistes métalliques, des intercalairesde brasage et du métal d’apport, qui pénalise la performance globale dugénérateur thermoélectrique (i.e. du ou des modules et des tubes chauds etfroids qui les enserrent). On a illustré aux figures 1 et 2 le résultat d’un telassemblage par brasage, avec à la figure 1 un tube chaud 1 de sectionglobalement rectangulaire pourvu sur ses grandes faces opposées 1a dedeux modules thermoélectriques ainsi assemblés comportant respectivementdeux séries d’éléments thermoélectriques 2 cubiques de polarités N et Psuccessivement opposées, avec en outre à la figure 2 deux tubes froids 3formant un empilement unitaire pour le générateur thermoélectrique. Sontvisibles à la figure 1 des premières pistes 4a (intérieures, au contact du tubechaud 1) et des secondes pistes 4b (extérieures, destinées à être au contactdes tubes froids 3) assemblées par brasage en série sur les éléments 2, voirles interfaces brasées 5 à la figure 2.

Des solutions ont été proposées pour améliorer lesperformances de modules thermoélectriques en minimisant les résistances decontact thermique. On peut par exemple citer le document US 6519947 B1 quiprésente un module pour la génération d’électricité, dans lequel l’ensembleélectrode-alliage de brasage est remplacé par une seule couche métallique, etle document US 2013125949 A1 qui présente un module pour lerefroidissement Peltier dans lequel les éléments thermoélectriques traversentun substrat isolant. Bien que ces deux types de modules cherchent à apporterdes solutions au problème de la résistance thermique entre les sourcesfroides et chaudes, d’une part, et les éléments thermoélectriques, d’autre part, ces solutions ne sont que partiellement satisfaisantes. En effet, dans lepremier document cité, l’alliage métallique utilisé pour relier les élémentsthermoélectriques par paires constitue lui-même une résistance thermique, etdans le second document, les extrémités des éléments thermoélectriquessont surmontées de bouchons en matériau céramique qui constituent euxaussi une résistance thermique.

Un but de la présente invention est de proposer un élémentthermoélectrique qui remédie à l’ensemble de ces inconvénients, l’élémentprésentant une première base et une seconde base opposées et parallèlesentre elles, ledit élément présentant une surface latérale qui s’étend autourd’un axe de symétrie dudit élément perpendiculairement à ladite premièrebase et à ladite seconde base que ladite surface latérale relie entre elles. A cet effet, un élément thermoélectrique selon l’invention esttel que ladite surface latérale présente : - une première zone périphérique terminale adjacente à laditepremière base, la première zone se terminant en deçà de la première base etétant adaptée pour favoriser l’assemblage par brasage d’une première pistede connexion électrique avec ledit élément, - une seconde zone périphérique terminale adjacente à laditeseconde base, la seconde zone se terminant en deçà de la seconde base etétant adaptée pour favoriser l’assemblage par brasage d’une seconde pistede connexion électrique avec ledit élément, de telle sorte que les contacts électriques entre laditepremière piste et ledit élément et entre ladite seconde piste et ledit élément sesituent en deçà de ladite première base et de ladite seconde base,respectivement, la première piste et la seconde piste de connexion électriqueétant adaptées pour relier ledit élément à un autre élément thermoélectriquede polarité opposée.

On notera que ce brasage de la piste de connexion électriquenon pas sur la surface des bases respectives en regard des deux élémentsthermoélectriques, mais en deçà de ces bases, se traduit par le fait que ces dernières font saillie vers l’extérieur de la piste ou au moins affleurent à sasurface externe tournée vers les tubes, une fois celle-ci brasée aux deuxéléments et donc que l’on n’a plus le contact usuel de l’art antérieur entre latotalité de l’aire de chaque piste et les tubes chauds et froids qui enserrent leséléments connectés deux à deux entre eux par ces pistes. Il résulte de cetteinterface de brasage périphérique selon l’invention et de la saillie externe ouau moins de l’affleurement des bases en résultant vis-à-vis de chaque piste,une minimisation de la résistance thermique précitée entre modulesthermoélectriques et tubes dans le générateur thermoélectrique, encomparaison de l’art antérieur utilisant une interface de brasage beaucoupplus étendue comprenant les pistes équipées des intercalaires de brasage etdu métal d’apport. Et, comme expliqué en préambule, cette minimisation de larésistance thermique entre chaque module thermoélectrique (i.e. assemblageéléments-pistes) et les nappes de tubes chauds et froids permetavantageusement d’améliorer de manière significative la performance dugénérateur thermoélectrique correspondant, en maximisant le gradientthermique aux bornes des éléments thermoélectriques.

On notera également que la présente invention réside dans lacoopération avec effet de synergie entre les première et seconde zonespériphériques terminales de chaque élément thermoélectrique et lespremières et secondes pistes respectivement brasées sur cet élément en ceszones, lesquelles sont adaptées pour favoriser ce brasage, ce qui signifie quechacune de ces zones comprend des moyens interagissant avec le matériaude la piste sur laquelle elle est brasée, comme expliqué ci-après.

Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite premièrezone et ladite seconde zone sont chacune avantageusement recouvertes d’aumoins une couche métallisée apte à coopérer avec un matériau métalliqued’apport pour le brasage provenant de ladite première piste ou seconde piste,pour former un cordon de brasure périphérique continu s’étendant de laditepremière piste ou seconde piste à ladite première zone ou seconde zone,respectivement.

Encore plus avantageusement, ladite au moins une couchemétallisée peut recouvrir en outre ladite première base et ladite seconde baseet comprend par exemple au moins un métal choisi parmi Ni, Ti, Cu, Al et lesalliages d’au moins deux de ces métaux. Quant au reste de chaque élément, ilpeut par exemple être réalisé en une céramique de type MnSi ou Mg2Si, àtitre non limitatif.

Un autre but de la présente invention est de proposer unmodule thermoélectrique adapté pour être monté entre et au contact d’unepremière surface plane d’une source chaude et d’une seconde surface planed’une source froide parallèle à ladite première surface plane, qui remédieégalement aux inconvénients précités. A cet effet, ce module est tel qu’il comprend : - une pluralité d’éléments thermoélectriques qui sont chacunselon l’invention telle que définie ci-dessus et présentent : * ladite surface latérale s’étendant autour dudit axe destiné àêtre perpendiculaire à ladite première surface et à ladite seconde surface, et * ladite première base et ladite seconde base qui sontrespectivement destinées à être montées de manière adjacente à laditepremière surface et à ladite seconde surface ; et - des dites premières pistes et secondes pistes de connexionélectrique qui sont chacune assemblées par brasage à deux desdits élémentsperpendiculairement audit axe, de sorte à les connecter électriquement entreeux de manière adjacente auxdites premières bases et secondes basesrespectives desdits deux éléments, chacune desdites premières pistes et secondes pistes étantbrasée sur lesdits deux éléments en leurs dites zones périphériquesterminales respectives.

Selon une autre caractéristique de l'invention, chacunedesdites zones est avantageusement montée dans un orifice traversant d’unedite première piste ou seconde piste métallique et débouche en une surfaceexterne de ladite première piste ou seconde piste destinée à être tournée vers ladite première surface ou seconde surface, ladite première piste ou secondepiste étant brasée à ladite zone au contact d’un bord dudit orifice.

Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention,chacune desdites premières pistes et secondes pistes est brasée sur chacundesdits deux éléments qu’elle connecte par un matériau métallique d’apportpour le brasage provenant d’une surface interne de ladite première piste ouseconde piste tournée vers lesdits deux éléments et/ou de ladite surfaceexterne de ladite première piste ou seconde piste, ledit matériau d’apportformant un cordon de brasure périphérique continu s’étendant de laditepremière piste ou seconde piste à chacune desdites zones, laquelle estmétallisée pour favoriser le brasage au contact dudit matériau d’apport.

De préférence, chacun desdits deux éléments connectésprésente une géométrie globalement cylindrique, chacune desdites zonesétant circonférentielle autour et en deçà de ladite première base ou secondebase et ledit cordon de brasure étant de forme circulaire.

On notera que ces éléments forment ainsi des plots en formede cylindres (i.e. définis au sens large par une directrice en forme de lignefermée courbe, e.g. circulaire ou elliptique, s’étendant le long d’unegénératrice) de préférence droits et de section circulaire, et que ces plotscylindriques sont respectivement montés à travers deux dits orifices de lapiste métallique correspondante et au contact des bords de préférencecirculaires de ces orifices.

Egalement à titre préférentiel, ledit matériau d’apport est àbase d’un alliage Al-Si, de préférence de série 4000.

Encore plus préférentiellement, chacune desdites zones etdesdites premières bases et secondes bases adjacentes sont recouvertesd’au moins une couche métallisée qui comprend au moins un métal choisiparmi Ni, Ti, Cu, Al et les alliages d’au moins deux de ces métaux.

Selon un premier mode de réalisation de l’invention, chacunedesdites zones prolonge continûment le reste de ladite surface latérale etdébouche au-delà dudit orifice, de sorte que ladite première base ou seconde base soit en saillie par rapport à ladite surface externe de ladite première pisteou seconde piste.

Par « chacune desdites zones prolonge continûment le restede ladite surface latérale », on entend ici que dans le cas d’une surfacelatérale d’élément thermoélectrique pouvant être notamment : - en forme de cylindre, chaque zone suit la génératrice (pardéfinition droite) du cylindre de sorte que la surface latérale y demeurecylindrique et de même diamètre ; - en forme de prisme (par exemple de section rectangulaireou carrée, i.e. un plot parallélépipédique ou cubique), chaque zone suit lagénératrice (également droite) du prisme de sorte que la surface latérale ydemeure prismatique et de même section transversale ; et - en forme de tronc de pyramide ou de cône, chaque zone suitla pente pyramidale ou conique de sorte que la surface latérale y demeureune pyramide ou un cône tronqué(e) de même section transversale.

Selon un premier exemple de réalisation de ce premier modede l’invention, ledit cordon de brasure provient au moins de ladite surfaceexterne de ladite première piste ou seconde piste et forme sur ladite surfaceexterne un ménisque entourant ladite zone et un pourtour extérieur plat duditbord d’orifice.

On notera que dans ce premier exemple, on aavantageusement un contact direct et exclusif entre les élémentsthermoélectriques et les tubes chauds et froids, vu que seuls ces élémentssont en contact avec les sources froides et chaudes par leurs premières etsecondes bases qui font saillie vers l’extérieur de la surface externe de lapiste les connectant entre eux, ce qui permet de maximiser encore le gradientthermique et donc la puissance électrique produite par le générateurthermoélectrique selon l’invention.

Selon un second exemple de réalisation de ce premier modede l’invention, ledit cordon de brasure provient au moins de ladite surfaceinterne de ladite première piste ou seconde piste et forme sur ladite surfaceinterne un ménisque entourant ladite zone et un pourtour intérieur dudit bord d’orifice faisant saillie à angle droit autour dudit axe au-delà du reste de laditepremière piste ou seconde piste à la manière d’un collet (i.e. d’un bordd’orifice circulaire).

On notera que dans ce second exemple, on aavantageusement un contact direct et majoritaire (presque exclusif) entre leséléments thermoélectriques et les tubes chauds et froids, vu que ceséléments sont en contact avec les sources froides et chaudes par leurspremières et secondes bases en saillie et par le pourtour le plus externe de cebord d’orifice formant collet, ce qui permet également d’améliorer le gradientthermique et donc la puissance électrique produite en comparaison de l’artantérieur précité où la totalité de l’aire externe de chaque piste était en contactavec les tubes.

On notera également que chaque orifice à bord en forme decollet permet d’assurer le maintien mécanique pendant l’étape d’assemblageet de minimiser le contact de chaque piste avec les tubes.

Avantageusement, ledit bord d’orifice faisant saillie à angledroit de type « collet » peut présenter une hauteur selon ledit axe qui estinférieure à 50 % de la hauteur de chacun desdits deux éléments mesurée deladite première base à ladite seconde base, et encore plus avantageusementinférieure à 20 % de cette hauteur totale de chaque élément.

Selon un second mode de réalisation de l’invention, chacunedesdites zones prolonge de manière discontinue le reste de ladite surfacelatérale en se rétrécissant suivant un épaulement vers l’intérieur dudit orifice,de sorte que ladite première base ou seconde base affleure à ladite surfaceexterne de ladite première piste ou seconde piste.

Par « chacune desdites zones prolonge de manièrediscontinue », on entend ici un saut de continuité générant par exemple unrétrécissement brutal (e.g. via un épaulement) ou progressif (e.g. via uneportion tronconique ou en sensiblement hyperbolique) de la sectiontransversale de la surface latérale de chaque élément.

Selon un exemple de réalisation de ce second mode del’invention, ledit cordon de brasure provient au moins de ladite surface interne de ladite première piste ou seconde piste et forme sur ladite surface interneun ménisque de section en « L » recouvrant ledit épaulement et un pourtourplat dudit orifice, ledit ménisque affleurant à ladite surface externe de laditepremière piste ou seconde piste.

On notera que dans ce cas les premières et secondes basesdes éléments connectés par une piste ne font que peu ou pas saillie versl’extérieur de cette piste, mais que cet affleurement procure néanmoins uneamélioration du gradient thermique et donc de la puissance électriqueproduite par le générateur en comparaison de l’art antérieur précité où latotalité de l’aire externe de chaque piste était en contact avec les tubes,puisque selon cet exemple du second mode une partie non négligeable del’aire externe de chaque piste - qui est remplacée par les premières ousecondes bases affleurant à cette surface de piste externe - n’est pas montéeau contact des tubes chauds et froids.

Selon une autre caractéristique de l'invention, chacunedesdites premières pistes et secondes pistes peut comprendre un feuillardmétallique de forme par exemple rectangulaire qui est ajouré suivant plusieursdits orifices recevant lesdites zones au contact de dits bords respectifs desditsorifices et qui comporte : - une âme d’épaisseur comprises entre 50 pm et 300 pm, et - un placage sur la surface interne et/ou la surface externe dela première piste ou seconde piste qui est constitué du matériau métalliqued’apport pour le brasage d’épaisseur comprise entre 20 pm et 150 pm.

Avantageusement ladite âme peut être réalisée en un alliaged’aluminium, de préférence de série choisie parmi les séries 1000, 2000, 3000,5000, 6000, 7000 et 8000.

Un procédé de fabrication d’un module thermoélectrique selonl’invention tel que défini ci-dessus comprend un brasage avec apport d’unmatériau métallique de brasage de chacune desdites premières pistes etsecondes pistes sur lesdites zones périphériques terminales desdits élémentsconnectés, avec formation, au contact de chacune desdites zones qui sontmétallisées, d’un cordon de brasure périphérique continu provenant d’une surface interne et/ou d’une surface externe de ladite piste revêtue duditmatériau d’apport.

Un générateur thermoélectrique selon l’invention qui estutilisable pour équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne,comprend : au moins un tube chaud apte à véhiculer des gazd'échappement à haute température du véhicule, au moins un tube froid qui est apte à véhiculer un liquidede refroidissement du véhicule et qui est monté de part et d’autre dudit aumoins un tube chaud dans une direction d’empilement, et au moins un module thermoélectrique monté entre et aucontact dudit au moins un tube chaud et dudit au moins un tube froid, et le générateur est caractérisé en ce que ledit au moins unmodule thermoélectrique est tel que défini ci-dessus pour la présenteinvention.

En référence audit premier mode de réalisation de l’invention,lesdites premières pistes et secondes pistes ne sont avantageusement pas encontact, sur au moins 80 % voire sur la totalité de leur surface externe depiste, avec ledit au moins un tube froid ni avec ledit au moins un tube chaud.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le générateurpeut comprendre un empilement selon ladite direction d’empilement de : - nappes chaudes de dits tubes chauds, chaque tube chaudprésentant en section transversale une forme sensiblement rectangulaire àdeux grands côtés supérieur et inférieur, - nappes froides de dits tubes froids qui sont montées de partet d’autre de chacune desdites nappes chaudes dans ladite direction del'empilement, et de - plusieurs paires de dits modules thermoélectriques, chaquepaire de dits modules étant enserrée entre deux dits tubes froids et un dit tubechaud intercalé et comportant un dit module thermoélectrique supérieursolidaire d’un dit grand côté supérieur dudit tube chaud et un dit module thermoélectrique inférieur solidaire d’un dit grand côté inférieur dudit tubechaud.

Selon un autre aspect de l'invention qui est notammentcommun audit premier mode de l’invention (premier et second exemplesinclus) et audit second mode de l’invention, ledit au moins un modulethermoélectrique peut être avantageusement en contact avec ledit au moinsun tube chaud et ledit au moins un tube froid par l’intermédiaire d’une couchede graphite laminée d’épaisseur comprise entre 25 pm et 500 pm.

On notera que cette couche de graphite laminée permetd’améliorer le contact thermique aux interfaces avec les tubes. D’autres caractéristiques, avantages et détails de la présenteinvention ressortiront à la lecture de la description suivante d’exemples deréalisation de l’invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, la descriptionétant réalisée en référence aux dessins joints, parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective latérale d’un tube chaudpourvu d’un module thermoélectrique selon l’art antérieur, la figure 2 est une vue schématique en section transversaled’un empilement unitaire de générateur selon l’art antérieur à modulethermoélectrique selon la figure 1 pris en sandwich entre ce tube chaud etdeux tubes froids, la figure 3 est une vue schématique de dessus d’une piste deconnexion électrique utilisable en relation avec des élémentsthermoélectriques selon les deux modes de l’invention, la figure 4 est une vue latérale en perspective de deuxéléments thermoélectriques selon ledit premier exemple du premier mode del’invention adaptés pour être assemblés par brasage à la piste de la figure 3, la figure 5 est une vue de dessus et en perspective d’unepiste utilisable en relation avec les éléments de la figure 4, la figure 6 est une vue latérale en perspective des deuxéléments de la figure 4 une fois assemblés à la piste de la figure 5, la figure 7 est une vue schématique de détail montrantl’interface de brasage de l’assemblage de la figure 6, les figures 8 et 9 sont deux photographies montrantrespectivement le côté interne et le côté externe d’une piste assemblée à unélément selon l’invention, la figure 10 est une vue schématique d’un modulethermoélectrique selon le premier exemple du premier mode de l’invention, enréférence aux figures 4 à 7, la figure 11 est une vue schématique en section transversaled’un empilement unitaire de générateur à module thermoélectrique selon lafigure 10 pris en sandwich entre un tube chaud et un tube froid, la figure 12 est une vue de dessus et en perspective d’unepiste utilisable en relation avec les éléments selon ledit second mode del’invention visibles à la figure 13, la figure 13 est une vue latérale en perspective de deuxéléments thermoélectriques selon ce second mode à assembler par brasageà la piste de la figure 12, la figure 14 est une vue latérale partielle en perspective desdeux éléments de la figure 13 une fois assemblés à la piste de la figure 12, la figure 15 est une vue schématique partielle de détailmontrant l’interface de brasage de l’assemblage de la figure 14, la figure 16 est une vue schématique d’un modulethermoélectrique selon le second mode de l’invention, en référence auxfigures 12 à 15, la figure 17 est une vue schématique en section transversaled’un empilement unitaire de générateur à module thermoélectrique selon lafigure 16 pris en sandwich entre un tube chaud et un tube froid, la figure 18 est une vue schématique en plan montrant troistypes de répartition d’éléments thermoélectriques utilisables dans un modulethermoélectrique selon l’invention, la figure 19 est une vue de dessus et en perspective d’unepiste utilisable en relation avec des éléments selon ledit second exemple dupremier mode de l’invention visibles à la figure 20, la figure 20 est une vue latérale partielle en perspective dedeux éléments selon ce second exemple du premier mode assemblés à lapiste de la figure 19, et la figure 21 est une vue schématique partielle de détailmontrant l’interface de brasage de l’assemblage de la figure 20.

La piste de connexion électrique 10 visible à la figure 3 estconstituée d’une bande rectangulaire de feuillard métallique comportant uneâme d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium et, sur la surface externe et/oula surface interne de la piste 10, un placage 11 (voir figures 5, 6, 10)comprenant un alliage aluminium-silicium formant matériau d’apport debrasage pour assembler la piste 10 aux deux éléments thermoélectriques 20aet 20b par exemple visibles à la figure 4 pour le premier exemple du premiermode de l’invention. La piste 10 est ajourée de sorte à présenter deux orificestraversants 12 identiques à bords circulaires 12a plats qui sontrespectivement conçus pour être traversés par les éléments 20a et 20b.

Ces éléments 20a et 20b, en forme de plots cylindriquesdroits de section circulaire et de polarités opposées, présentent une premièrebase 21, une seconde base 22 et une surface latérale 23 les reliant entre elles.La surface latérale 23 se termine de manière continue (i.e. dans sonprolongement cylindrique et suivant une même section transversale), sur unehauteur réduite dans la direction d’un axe X de symétrie de chaque élément20a, 20b, juste en deçà de la première base 21 par une première zonepériphérique terminale 23a et juste en deçà de la seconde base 22 par uneseconde zone périphérique terminale 23b. Pour améliorer la qualité dubrasage, chaque zone 23a, 23b et chaque base 21, 22 la prolongeant sontmétallisées par exemple au moyen d’un revêtement en Ni, Ti, Cu, Al ou en unalliage d’au moins deux de ces métaux et comme visible aux figures 5-7, onprocède à un brasage à haute température de la piste 10 - dont la seulesurface externe 10b est plaquée par un alliage 11 d’apport de brasage en Al-Si (voir figure 5) - au contact de chaque zone 23a, 23b montée à traverschaque orifice 12 de la piste 10. On obtient ainsi une interface de brasageformée d’un cordon circulaire de brasure 24 en forme de ménisque prenant appui avec un diamètre maximum sur la surface de piste externe 10b etjoignant la bordure externe de chaque zone 23a, 23b avec un diamètreminimum.

Les photographies des figures 8 et 9 démontrent la faisabilitéd’un tel assemblage avec des éléments thermoélectriques parallélépipédiquesqui sont localement métallisés comme indiqué ci-dessus, en des zonespériphériques terminales de leurs surfaces latérales respectives. Ceséléments sont constitués de plots de MnSi ou Mg2Si, et ont été brasés autourd’un orifice rectangulaire correspondant d’une piste formée à partir d’unfeuillard « 3003 » de 300 pm d’épaisseur et revêtu sur sa surface externe d’unplacage « 4045 » de 100 pm d’épaisseur. On peut constater que le cordon debrasage est continu et homogène. Cependant, la forme rectangulaire desorifices rendant complexe la réalisation de l’assemblage, on préfère pour laprésente invention utiliser des éléments cylindriques brasés autour d’orificescirculaires d’une piste.

Comme illustré aux figures 10 et 11 montrant respectivementun module 30 (voir direction d’empilement Y) et un générateur 40 selonl’invention, on voit que ce premier exemple du premier mode de l’inventionpermet d’obtenir un contact direct et exclusif des éléments 20a et 20b avec letube chaud 1 et le tube froid 3, en raison de la saillie des bases 21 et 22 dechaque élément 20a, 20b vers l’extérieur de chaque piste 10. Pour améliorerle contrat thermique avec ces tubes 1 et 3, on dépose une couche de graphitelaminé d’une épaisseur d’environ une centaine de pm à l’interface entre cesbases 21 et 22 et les tubes 1 et 3.

Le second mode de l’invention illustré aux figures 12 à 17 sedifférencie uniquement du premier exemple précité du premier mode, en ceque les zones périphériques terminales 23a’ et 23b’ de chaque élément 20a’,20b’ sont formées chacune par un épaulement circonférentiel 24a’, 24b’ seterminant à angle droit par une portion axiale d’extrémité 25b’ de cette zone23a’, 23b’. Comme visible aux figures 12-15, c’est ici la surface interne 10a’de la piste 10’ qui est pourvue de l’alliage 11 d’apport de brasage en Al-Si,lequel forme après brasage à haute température un cordon de brasure 24’ circulaire de section en L en forme de ménisque recouvrant l’épaulement 24a’,24b’ et la portion d’extrémité 25b’. Ce cordon 24’ s’étend de la surface depiste interne 10a’ à la surface de piste externe 10b’ où il affleure.

Comme illustré aux figures 16 et 17 montrant respectivementun module 30’ (voir direction d’empilement Y) et un générateur 40’ selonl’invention, on voit que ce second mode de l’invention permet d’obtenir uncontact direct mais non exclusif des éléments 20a’ et 20b’ avec le tube chaud1 et le tube froid 3, en raison de l’affleurement des bases 21 ’ et 22’ de chaqueélément 20a’, 20b’ à chaque surface de piste externe 10b’. Pour améliorer lecontrat thermique avec ces tubes 1 et 3, on dépose également ladite couchede graphite laminé à l’interface entre ces bases 21 ’ et 22’ et les tubes 1 et 3.

La figure 8 montre à titre d’exemples différents types derépartition d’éléments thermoélectriques P et N dans un modulethermoélectrique selon l’invention.

Les figures 19 à 21 illustrent le brasage d’un autre type depiste 10” selon l’invention utilisable pour recevoir deux élémentsthermoélectriques 20a et 20b analogues à ceux de la figure 4. La piste 10”présente deux orifices 12” en forme de collets, i.e. chacun étant à bord 12a”de section circulaire mais en saillie axiale puisqu’il est relevé vers l’extérieur(sensiblement à angle droit, avec un arrondi). Comme visible aux figures 20 et21, chaque zone périphérique terminale 23b de l’élément 20a, 20b est logée àl’état assemblé contre la face interne du bord 12a” de sorte que chaque base22 affleure ou dépasse légèrement de ce bord d’orifice 12a”. Quant au cordonde brasure circulaire 24”, il est formé d’un ménisque joignant la face internedu bord 12a” à la zone 23b correspondante, s’étendant à partir de la surfacede piste interne 10a” pourvue de l’alliage d’apport 11.

On comprend que l’on obtient ainsi un contact direct etquasiment exclusif (bord 12a” mis à part) des éléments 20a et 20b avec letube chaud 1 et le tube froid 3. Pour améliorer le contrat thermique avec cestubes 1 et 3, on dépose également ladite couche de graphite à l’interfaceentre ces bases 21 et 22 et les tubes 1 et 3.

On notera que chaque orifice à bord 12a” en forme de colletpermet d’assurer le maintien mécanique uniquement pendant l’étaped’assemblage, et de minimiser le contact de chaque piste 10” avec les tubes 1et 3.

Claims (21)

1. REVENDICATIONS 1) Elément thermoélectrique (20a et 20b, 20a’ et 20b’)présentant une première base (21, 2T) et une seconde base (22, 22’) opposéeset parallèles entre elles, ledit élément présentant une surface latérale (23) quis’étend autour d’un axe de symétrie (X) dudit élément perpendiculairement àladite première base et à ladite seconde base que ladite surface latérale relieentre elles, caractérisé en ce que ladite surface latérale présente : - une première zone périphérique terminale (23a, 23a’)adjacente à ladite première base, la première zone se terminant en deçà de lapremière base et étant adaptée pour favoriser l’assemblage par brasage d’unepremière piste de connexion électrique (10, 10’, 10”) avec ledit élément, - une seconde zone périphérique terminale (23b, 23b’)adjacente à ladite seconde base, la seconde zone se terminant en deçà de laseconde base et étant adaptée pour favoriser l’assemblage par brasage d'uneseconde piste de connexion électrique (10, 10’, 10”) avec ledit élément, de telle sorte que les contacts électriques entre ladite premièrepiste et ledit élément et entre ladite seconde piste et ledit élément se situent endeçà de ladite première base et de ladite seconde base, respectivement, la première piste et la seconde piste de connexion électriqueétant adaptées pour relier ledit élément à un autre élément thermoélectrique depolarité opposée, la première zone (23a, 23a’) et la seconde zone (23b, 23b’)étant chacune recouvertes d’au moins une couche métallisée apte à coopéreravec un matériau métallique d’apport (11) pour le brasage provenant de laditepremière piste ou seconde piste (10, 10’, 10”), pour former un cordon debrasure périphérique (24, 24’, 24”) continu s’étendant de ladite première pisteou seconde piste à ladite première zone ou seconde zone, respectivement.
2. 2) Elément thermoélectrique (20a et 20b, 20a’ et 20b’) selon larevendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une couche métalliséerecouvre en outre ladite première base (21,21') et ladite seconde base (22, 22’) et comprend au moins un métal choisi parmi Ni, Ti, Cu, Al et les alliages d’aumoins deux de ces métaux.
3. 3) Module thermoélectrique (30, 30’) adapté pour être montéentre et au contact d’une première surface plane d’une source chaude (1) etd’une seconde surface plane d’une source froide (3) parallèle à ladite premièresurface plane, caractérisé en ce que le module comprend : - une pluralité d’éléments thermoélectriques (20a et 20b, 20a’ et20b’) selon une des revendications 1 ou 2 qui présentent chacun : * ladite surface latérale (23) s’étendant autour dudit axe (X)destiné à être perpendiculaire à ladite première surface et à ladite secondesurface, et * ladite première base (21, 21’) et ladite seconde base (22, 22’)qui sont respectivement destinées à être montées de manière adjacente àladite première surface et à ladite seconde surface ; et - des dites premières pistes et secondes pistes (10, 10’, 10”) deconnexion électrique qui sont chacune assemblées par brasage à deux desditséléments perpendiculairement audit axe, de sorte à les connecterélectriquement entre eux de manière adjacente auxdites premières bases etsecondes bases respectives desdits deux éléments, chacune desdites premières pistes et secondes pistes étantbrasée sur lesdits deux éléments en leurs dites zones périphériques terminales(23a et 23b, 23a’ et 23b’) respectives.
4. 4) Module thermoélectrique (30, 30’) selon la revendication 3,caractérisé en ce que chacune desdites zones (23a et 23b, 23a’ et 23b’) estmontée dans un orifice traversant (12, 12”) d’une dite première piste ouseconde piste (10, 10’, 10”) métallique et débouche en une surface externe(10b, 10b’) de ladite première piste ou seconde piste destinée à être tournéevers ladite première surface ou seconde surface, ladite première piste ouseconde piste étant brasée à ladite zone au contact d’un bord (12a, 12a”) duditorifice.
5. 5) Module thermoélectrique (30, 30’) selon la revendication 4,caractérisé en ce que chacune desdites premières pistes et secondes pistes (10, 10’, 10”) est brasée sur chacun desdits deux éléments (20a et 20b, 20a’ et20b’) qu’elle connecte par un matériau métallique d’apport (11) pour le brasageprovenant d’une surface interne (10a, 10a’, 10a”) de ladite première piste ouseconde piste tournée vers lesdits deux éléments et/ou de ladite surfaceexterne (10b, 10b’) de ladite première piste ou seconde piste, ledit matériaud’apport formant un cordon de brasure périphérique (24, 24’, 24”) continus’étendant de ladite première piste ou seconde piste à chacune desdites zones(23a et 23b, 23a’ et 23b’), laquelle est métallisée pour favoriser le brasage aucontact dudit matériau d’apport.
6. 6) Module thermoélectrique (30, 30’) selon la revendication 5,caractérisé en ce que chacun desdits deux éléments (20a et 20b, 20a’ et 20b’)connectés présente une géométrie globalement cylindrique, chacune desditeszones (23a et 23b, 23a’ et 23b’) étant circonférentielle autour et en deçà deladite première base (21, 21’) ou seconde base (22, 22’) et ledit cordon debrasure (24, 24’, 24”) étant de forme circulaire.
7. 7) Module thermoélectrique (30, 30’) selon la revendication 5 ou7, caractérisé en ce que ledit matériau d’apport (11) est à base d’un alliage Al-Si,de préférence de série 4000.
8. 8) Module thermoélectrique (30, 30’) selon une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chacune desdites zones (23a et 23b,23a’ et 23b’) et desdites premières bases (21, 21’) et secondes bases (22, 22’)adjacentes sont recouvertes d’au moins une couche métallisée qui comprendau moins un métal choisi parmi Ni, Ti, Ou, Al et les alliages d’au moins deux deces métaux.
9. 9) Module thermoélectrique (30) selon une des revendications 5à 8, caractérisé en ce que chacune desdites zones (23a et 23b) prolongecontinûment le reste de ladite surface latérale (23) et débouche au-delà duditorifice (12, 12”), de sorte que ladite première base (21) ou seconde base (22)soit en saillie par rapport à ladite surface externe (10b) de ladite première pisteou seconde piste (10, 10”).
10. 10) Module thermoélectrique (30) selon la revendication 9,caractérisé en ce que ledit cordon de brasure (24) provient au moins de laditesurface externe (10b) de ladite première piste ou seconde piste (10) et formesur ladite surface externe un ménisque entourant ladite zone (23a, 23b) et unpourtour extérieur plat dudit bord d'orifice (12a).
11. 11) Module thermoélectrique (30) selon la revendication 9,caractérisé en ce que ledit cordon de brasure (24”) provient au moins de laditesurface interne (10a”) de ladite première piste ou seconde piste (10”) et formesur ladite surface interne un ménisque entourant ladite zone (22b, 23b) et unpourtour intérieur dudit bord d’orifice (12a”) faisant saillie à angle droit autourdudit axe (X) au-delà du reste de ladite première piste ou seconde piste à lamanière d’un collet.
12. 12) Module thermoélectrique (30) selon la revendication 11,caractérisé en ce que ledit bord d’orifice (12a”) faisant saillie à angle droitprésente une hauteur selon ledit axe (X) inférieure à 50 % de la hauteur dechacun desdits deux éléments (20a et 20b) mesurée de ladite première base(21 ) à ladite seconde base (22).
13. 13) Module thermoélectrique (30’) selon une des revendications5 à 8, caractérisé en ce que chacune desdites zones (23a’, 23b’) prolonge demanière discontinue le reste de ladite surface latérale (23) en se rétrécissantsuivant un épaulement (24a’, 24b’) vers l’intérieur dudit orifice (12), de sorte queladite première base (2T) ou seconde base (22’) affleure à ladite surfaceexterne (10b’) de ladite première piste ou seconde piste (10’).
14. 14) Module thermoélectrique (30’) selon la revendication 13,caractérisé en ce que ledit cordon de brasure (24’) provient au moins de laditesurface interne (10a’) de ladite première piste ou seconde piste (10’) et formesur ladite surface interne un ménisque de section en « L » recouvrant leditépaulement (24a’, 24b’) et un pourtour plat dudit orifice (12), ledit ménisqueaffleurant à ladite surface externe (10b’) de ladite première piste ou secondepiste.
15. 15) Module thermoélectrique (30, 30’) selon une desrevendications 5 à 14, caractérisé en ce que chacune desdites premières pisteset secondes pistes (10, 10’, 10”) comprend un feuillard métallique qui est ajourésuivant plusieurs dits orifices (12, 12”) recevant lesdites zones (23a et 23b, 23a’et 23b’) au contact de dits bords (12a, 12a”) respectifs desdits orifices et quicomporte : - une âme d’épaisseur comprises entre 50 pm et 300 pm, et - un placage sur ladite surface interne (10a’, 10a”) et/ou laditesurface externe (10b) de ladite première piste ou seconde piste qui estconstitué dudit matériau métallique d’apport (11) pour le brasage d’épaisseurcomprise entre 20 pm et 150 μm.
16. 16) Module thermoélectrique (30, 30’) selon la revendication 15,caractérisé en ce que ladite âme est réalisée en un alliage d’aluminium, depréférence de série choisie parmi les séries 1000, 2000, 3000, 5000, 6000,7000 et 8000.
17. 17) Générateur thermoélectrique (40, 40’) utilisable pouréquiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne, le générateurcomprenant : au moins un tube chaud (1) apte à véhiculer des gazd'échappement à haute température du véhicule, au moins un tube froid (3) qui est apte à véhiculer un liquidede refroidissement du véhicule et qui est monté de part et d’autre dudit aumoins un tube chaud dans une direction d’empilement (Y), et au moins un module thermoélectrique (30, 30’) monté entreet au contact dudit au moins un tube chaud et dudit au moins un tube froid, caractérisé en ce que ledit au moins un modulethermoélectrique est tel que défini à l’une des revendications 4 à 17.
18. 18) Générateur thermoélectrique (40, 40’) selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdites premières pistes et secondespistes (10, 10’, 10”) ne sont pas en contact, sur au moins 80 % voire la totalité de leur surface externe (10b, 10b’) de piste, avec ledit au moins un tube froid (3)ni avec ledit au moins un tube chaud (1).
19. 19) Générateur thermoélectrique (40, 40’) selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que le générateur comprend unempilement selon ladite direction d’empilement (Y) de : - nappes chaudes de dits tubes chauds (1 ), chaque tube chaudprésentant en section transversale une forme sensiblement rectangulaire àdeux grands côtés supérieur et inférieur (1a), - nappes froides de dits tubes froids (3) qui sont montées depart et d’autre de chacune desdites nappes chaudes dans ladite direction del'empilement, et de - plusieurs paires de dits modules thermoélectriques (30, 30’),chaque paire rie dits modules étant enserrée entre deux dits tubes froids et undit tube chaud intercalé et comportant un dit module thermoélectrique supérieursolidaire d’un dit grand côté supérieur dudit tube chaud et un dit modulethermoélectrique inférieur solidaire d’un dit grand côté inférieur dudit tube chaud.
20. 20) Générateur thermoélectrique (40, 40’) selon une desrevendications 17 à 19, caractérisé en ce que ledit au moins un modulethermoélectrique (30, 30’) est en contact avec ledit au moins un tube chaud (1)et ledit au moins un tube froid (3) par l’intermédiaire d’une couche de graphitelaminée d’épaisseur comprise entre 25 pm et 500 pm.
21. 21) Procédé de fabrication d’un module thermoélectrique (30,30’) selon une des revendications 3 à 16, caractérisé en ce que le procédécomprend un brasage avec apport d’un matériau métallique d’apport (11) dechacune desdites premières pistes et secondes pistes (10, 10’, 10”) sur lesditeszones périphériques terminales (23a et 23b, 23a’ et 23b’) desdits éléments (20aet 20b, 20a’ et 20b’) connectés, avec formation, au contact de chacune desditeszones qui sont métallisées, d’un cordon de brasure périphérique continu (24,24’, 24”) provenant d’une surface interne (10a, 10a’, 10a”) et/ou d’une surfaceexterne (10b, 10b’) de ladite piste revêtue dudit matériau d’apport.