FR3133105A1 - Module thermoélectrique et échangeur thermique associé - Google Patents
Module thermoélectrique et échangeur thermique associé Download PDFInfo
- Publication number
- FR3133105A1 FR3133105A1 FR2200912A FR2200912A FR3133105A1 FR 3133105 A1 FR3133105 A1 FR 3133105A1 FR 2200912 A FR2200912 A FR 2200912A FR 2200912 A FR2200912 A FR 2200912A FR 3133105 A1 FR3133105 A1 FR 3133105A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- thermoelectric module
- support layers
- layer
- thermoelectric
- pads
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 48
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 33
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 10
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 claims description 10
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 10
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 claims description 9
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 claims description 6
- -1 polyethylene naphthalate Polymers 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 102
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Module thermoélectrique et échangeur thermique associé La présente invention concerne un module thermoélectrique (1) comprenant :- une première (3a) et une deuxième (3b) couches supports en matériau polymère,- un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports,- un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,dans lequel les ensembles de pistes métalliques (5a, 5b) sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N, et dans lequel au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.
Description
La présente invention concerne le domaine des modules thermoélectriques comprenant des éléments thermoélectriques permettant notamment de créer un gradient de température entre deux de leurs faces opposées lorsqu’ils sont alimentés par un courant électrique selon le phénomène connu sous le nom d’effet Peltier.
De tels modules thermoélectriques peuvent être utilisés dans de nombreuses applications et notamment dans des dispositifs de régulation thermique de véhicules automobiles pour améliorer le confort des passagers en produisant une adaptation rapide de la température de l’habitacle.
Pour cela, les modules thermoélectriques de l’état de la technique comprennent généralement des substrats en céramique sur lesquels sont déposées des pistes métalliques. Des plots thermoélectriques sont alors brasés sur les pistes métalliques.
Cependant, les substrats céramiques doivent avoir des propriétés électriques isolantes et thermiques conductrices. Un exemple d’une telle céramique est le nitrure d’aluminium (AlN) mais ces céramiques sont très coûteuses.
De plus, les substrats céramiques ont une grande rigidité ce qui les rend peu résilients vis à vis des vibrations ou déformations qui peuvent être imposées par les conduits sur lesquels sont fixés les substrats céramiques.
La présente invention vise donc à résoudre au moins partiellement les problèmes de l’état de la technique et à proposer une solution pour réduire les coûts de fabrication des modules thermoélectriques, faciliter leur procédé de fabrication, et améliorer leur résistance aux déformations et vibrations notamment pour une utilisation dans un échangeur thermique.
A cet effet, la présente invention concerne un module thermoélectrique comprenant :
- une première et une deuxième couches supports en matériau polymère,
- un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première et la deuxième couches supports,
- un ensemble de plots thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N et dans lequel au moins une des première et deuxième couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.
- une première et une deuxième couches supports en matériau polymère,
- un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première et la deuxième couches supports,
- un ensemble de plots thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N et dans lequel au moins une des première et deuxième couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm.
L’utilisation d’une couche support en matériau polymère avec une épaisseur réduite permet d’obtenir une couche support flexible qui peut s’adapter facilement à une forme de conduit (sur lequel est fixé la couche support pour former un échangeur thermique) et qui peut résister à des déformations du conduit au cours du temps, notamment en raison des gradients de température répétés.
Selon un aspect de la présente invention, le module d’élasticité des couches supports est supérieur ou égal à 60GPa.
Selon un aspect de la présente invention, au moins une des première et deuxième couches supports est réalisée en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ». L’utilisation de polyimide ou polynaphtalate d’éthylène permet d’obtenir une couche support dont la température de fusion est supérieure à 220°C et dont la flexibilité permet de s’adapter à de nombreuses formes de conduit (sur lequel est fixé la couche support pour former un échangeur thermique).
Selon un autre aspect de la présente invention, au moins une de la première et la deuxième couches supports comprend une pluralité de trous reliant une première face à une deuxième face de ladite au moins une de la première et la deuxième couches supports, la surface des trous étant recouverte d’une couche d’un matériau conducteur thermiquement pour former un via traversant assurant un transfert thermique entre la première et la deuxième faces des première et deuxième couches supports.
La présence de vias traversants permet d’améliorer la conduction thermique entre les faces des couches supports.
Selon un autre aspect de la présente invention, au mois une des première et deuxième couches supports est une couche multi-étagée comprenant un empilement de sous-couches en matériau polymère sur lesquelles sont ménagées des pistes conductrices électriquement, lesdites pistes conductrices électriquement permettant la conduction de signaux électriques indépendants.
Selon un autre aspect de la présente invention, les vias traversants s’étendent sur tous les étages de l’empilement de sous-couches en matériau polymère.
Selon un autre aspect de la présente invention, le module thermoélectrique comprend également des patins en matériau conducteur thermiquement configurés pour venir se positionner dans les vias traversants.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche de matériau conducteur thermiquement vient en contact avec les pistes métalliques conductrices et dans lequel la couche de matériau conducteur thermiquement comprend des discontinuités de manière à éviter un court-circuit entre deux pistes métalliques conductrices distinctes.
Selon un autre aspect de la présente invention, les trous des première et deuxième couches supports sont remplis de matériau conducteur thermiquement pour former des vias pleins.
Selon un autre aspect de la présente invention, les plots thermoélectriques sont brasés sur les ensembles de pistes métalliques conductrices.
La présente invention concerne également un échangeur thermique comprenant :
- un module thermoélectrique tel que décrit précédemment,
- un premier conduit sur lequel est fixée la première couche support et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit sur lequel est fixée la deuxième couche support et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
- un module thermoélectrique tel que décrit précédemment,
- un premier conduit sur lequel est fixée la première couche support et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit sur lequel est fixée la deuxième couche support et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
Selon un autre aspect de la présente invention, le premier conduit est formé par un tube configuré pour recevoir un liquide de refroidissement.
Selon un autre aspect de la présente invention, le deuxième conduit est formé par un tube configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air.
Selon un autre aspect de la présente invention,les première et deuxième couches supports sont collées respectivement sur les premier et deuxième conduits.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
Dans la description, certains éléments peuvent être indexés, comme par exemple premier élément ou deuxième élément. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément par rapport à un autre et de telles dénominations peuvent être aisément interchangées sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps.
La présente invention concerne un module thermoélectrique. La représente une vue schématique latérale d’une portion d’un tel module thermoélectrique 1. Le module thermoélectrique 1 comprend une première et une deuxième couches supports notées 3a et 3b qui peuvent être identiques, c’est-à-dire réalisées par le même procédé de fabrication et ayant la même composition et les mêmes dimensions. Alternativement, les première et deuxième couches supports 3a et 3b peuvent être réalisées dans des matériaux différents ou avoir des dimensions différentes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et deuxième couches supports 3a, 3b sont réalisées dans un matériau polymère ayant une température de fusion supérieure à 220°C pour permettre de résister aux différentes étapes de fabrication du module thermoélectrique 1 et notamment l’étape de brasage des plots thermoélectriques 7. Le matériau polymère a de préférence un module d’élasticité supérieur ou égal à 60 GPa. Les première et deuxième couches supports 3a, 3b sont par exemple réalisées en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ». Le matériau polymère des couches supports 3a, 3b a une épaisseur inférieure à 200μm. L’épaisseur est par exemple comprise entre 100μm et 150μm, notamment égale à 120μm.
L’utilisation de couches supports 3a, 3b d’épaisseur réduite permet d’une part d’améliorer le transfert thermique entre les deux faces des couches supports 3a, 3b et d’autre part de permettre une flexibilité des couches supports 3a, 3b ce qui permet de pouvoir s’adapter à la forme des conduits ou éléments sur lesquels peuvent être disposées les couches supports 3a, 3b et également de mieux résister aux déformations ou vibrations subies au cours du temps notamment sous l’effet des gradients thermiques successifs.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un premier et un deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices notés 5a et 5b disposées respectivement sur la première et la deuxième couches support 3a, 3b. Ces ensembles 5a, 5b sont par exemple réalisés en cuivre. Un traitement de surface peut également être appliqué sur le dépôt de cuivre, par exemple un dépôt de nickel par voie autocatalytique puis un dépôt par immersion d’une très fine cuche d’or aussi appelée procédé « electroless Nickel/immersion gold (ENIG) » en anglais ou par étamage par nivelage à air chaud aussi appelé « hot air solder leveling (HASL) en anglais.
Le module thermoélectrique 1 comprend également un ensemble de plots thermoélectriques 7 disposés entre le premier et le deuxième ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Les plots thermoélectriques 7 sont par exemple fixés sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b par brasage. Une couche de pâte à braser 6 peut être déposée localement sur les pistes métalliques 5a, 5b aux emplacements destinés à recevoir les plots thermoélectriques 7.
Certains plots thermoélectriques 7 nommés plots de type P sont réalisés en matériau semi-conducteur de type P et d’autres plots thermoélectriques 7 nommés plots de type N sont réalisés en matériau semi-conducteur de type N.
Les ensembles de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont configurés pour relier en série l’ensemble des plots thermoélectriques 7 avec une alternance de plots de type P et de type N. Le nombre de plots de type P est par exemple égal au nombre de plots de type N. Des câbles électriques reliés à une source de courant peuvent être connectés aux pistes métalliques conductrices 5a, 5b pour permettre l’alimentation du module thermoélectrique 1.
Comme représenté sur la , le module thermoélectrique 1 peut également comprendre des vias traversants 9 ménagés dans les couches supports 3a, 3b à des endroits dépourvus de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Les vias 9 sont formés par des trous traversants dont le diamètre est supérieur à 300 μm, par exemple quelques millimètres. Les vias 9 peuvent être recouverts d’une couche d’un matériau conducteur thermiquement 11. La couche de matériau conducteur thermiquement 11 est par exemple une couche de cuivre et notamment le même matériau que celui utilisé pour les pistes métalliques conductrices 5a, 5b. De plus, la couche de matériau conducteur thermiquement 11 peut être déposée non seulement à l’intérieur des vias 9 mais également autour des vias 9 et peut même recouvrir l’ensemble de la face externe de la couche support 3a, 3b, c’est-à-dire la face opposée à la face interne sur laquelle sont brasés les plots thermoélectriques 7. Sur le côté interne, des espaces d’au moins 1 à 2 mm doivent être laissés entre la couche de matériau conducteur thermiquement 11 et les pistes métalliques conductrices 5a, 5b de manière à éviter tout court-circuit. Les vias 9 peuvent être répartis sur l’ensemble de la surface des couches supports 3a, 3b dépourvue des pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Les vias 9 sont ainsi configurés pour transférer la chaleur issue des plots thermoélectriques 7 vers la face externe des couches supports 3a, 3b. De plus, des patins en matériau conducteur électriquement, par exemple en aluminium, peuvent être disposés à l’intérieur des vias 9 pour remplir l’espace interne des vias 9 pour améliorer encore le transfert thermique au niveau des couches supports 3a, 3b. Les patins peuvent être montés en force dans les vias 9 ou peuvent être collés aux couches support 3a, 3b.
Ainsi, l’utilisation de couches supports 3a, 3b en matériau polymère d’épaisseur réduite et d’éventuels vias 9 assurant un transfert thermique à travers les couches supports 3a, 3b en matériau polymère et d’une couche de matériau conducteur thermiquement 11 permet de se passer de substrats céramiques et d’obtenir un module thermoélectrique 1 ayant un coût réduit.
Les couches supports 3a, 3b peuvent également comprendre des pistes métalliques conductrices 5a, 5b sur leurs deux faces, les pistes métalliques 5a, 5b de la face interne étant par exemple configurées pour alimenter les plots thermoélectriques 7 et les pistes métalliques 5a, 5b de la face externe étant par exemple configurées pour transmettre un signal indépendant de l’alimentation des plots thermoélectriques 7, par exemple un signal associé à une mesure de température d’un plot thermoélectrique 7. Comme dans le mode de réalisation de la , la couche support 3 peut comprendre des vias 9. Des couches de protection isolantes électriquement peuvent également recouvrir les pistes métalliques 5a, 5b (notamment sur la face externe) sauf sur les emplacements des plots thermoélectriques 7 et des connexions électriques.
La représente un mode de réalisation particulier d’une couche support 3 dans lequel la couche support 3 est multi-étagée et comprend un empilement de sous-couches 30 en matériau polymère. Les sous-couches 30 ont une épaisseur inférieure à 200μm, par exemple 120μm et une température de fusion supérieure à 220°C. Les sous-couches 30 sont par exemple réalisées en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ». Des pistes conductrices électriquement 30 telles que des pistes métalliques peuvent être disposées sur la face ou les faces des différentes sous-couches 30. L’assemblage des différentes sous-couches 30 peut être réalisé par des couches adhésives (non représentées) réalisées en matériau isolant électriquement tel qu’en résine époxy. Comme pour les modes de réalisation précédents, des vias 9 peuvent être ménagés dans la couche support 3 multi-étagée. Les vias 9 sont alors réalisés de manière traversante sur l’ensemble des sous-couches 30. Comme précédemment, les vias 9 peuvent être recouverts d’un matériau conducteur électriquement et des patins, notamment en aluminium, peuvent être disposés dans les vias 9 pour améliorer la conduction thermique. L’utilisation d’une couche support 3 multi-étagée permet de transmettre différents signaux électriques indépendants via les différentes pistes métalliques 50 des sous-couches 30. Cela peut notamment permettre de transmettre des signaux de mesure, par exemple des mesures de températures des plots thermoélectriques 7 tout en assurant l’alimentation électrique des plots thermoélectriques 7.
De tels modules thermoélectriques 1 peuvent être utilisés dans de nombreuses applications pour permettre notamment un contrôle thermique rapide, par exemple au niveau d’un équipement électronique tel qu’un microprocesseur pour contrôler sa température et limiter son échauffement, au sein d’un conduit pour contrôler la température de l’air circulant dans le conduit, par exemple un conduit de ventilation d’un véhicule automobile, dans un siège pour fournir un siège chauffant, au niveau d’un support de gobelet ou canette (aussi appelé « cupholder » en anglais) pour réguler la température d’un liquide à l’intérieur du gobelet ou de la canette.
Selon un autre mode de réalisation représenté sur la , la couche de matériau conducteur thermiquement 11 disposée à l’intérieur des vias 9 vient en contact avec les pistes métalliques conductrices 5a, 5b de sorte que le transfert de chaleur peut être réalisé via la couche de cuivre associée aux pistes métalliques 5a, 5b et à la couche de matériau conducteur thermiquement 11 sans qu’il n’y ait de discontinuités jusqu’à la face externe des couches supports 3a, 3b. Dans ce cas, des discontinuités 14 sont ménagées dans la couche de matériau conducteur thermiquement 11 de manière à éviter un court-circuit entre deux pistes métalliques conductrices 5a, 5b distinctes. Ces discontinuités 14 doivent être ménagées sur les deux faces des couches supports 3a, 3b pour éviter de relier deux pistes métalliques conductrices 5a, 5b distinctes. Par ailleurs, afin d’éviter un court-circuit entre des pistes métalliques conductrices distinctes 5a, 5b par un élément extérieur, une couche de vernis épargne 12 peut être déposée sur la face externe des couches supports 3a, 3b (voire à l’intérieur des vias 9) comme représenté sur la .
Selon une variante de réalisation représentée sur la , les trous traversants des couches supports 3a, 3b sont remplis de matériau conducteur thermiquement 11 pour former des vias 9 pleins. Le matériau utilisé pour le remplissage des vias 9 peut être le même que celui du matériau conducteur thermiquement, par exemple du cuivre de sorte que le remplissage des vias 9 peut être réalisé simultanément au dépôt de la couche de matériau conducteur thermiquement 11. Le remplissage des vias 9 permet de se passer des patins 13. Afin d’éviter un court-circuit entre des pistes métalliques conductrices distinctes 5a, 5b par un élément extérieur, une couche de vernis épargne 12 peut être déposée sur la face externe des couches supports 3a, 3b comme représenté sur la .
Ce deuxième mode de réalisation permet d’améliorer le transfert de chaleur entre les deux faces des couches supports 3a, 3b du fait de l’absence de discontinuités dans la couche de matériau conducteur thermiquement 11 entre les plots thermoélectriques 7 et la face externe des couches supports 3a, 3b.
La présente invention concerne également un échangeur thermique 20 comme représenté sur la . L’échangeur thermique 20 comprend au moins un module thermoélectrique 1 selon l’un des modes de réalisation décrit précédemment, un premier conduit 21a en contact avec la première couche support 3a ou avec une couche de matériau conducteur thermiquement 11 associée à la première couche support 3a et un deuxième conduit 21b en contact avec la deuxième couche support 3b ou avec une couche de matériau conducteur thermiquement 11 associée à la deuxième couche support 3b du module thermoélectrique 1.
Le premier conduit 21a est configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur, par exemple un liquide de refroidissement. Le premier conduit 21a est par exemple formé par un tube 22, notamment en aluminium. La première couche support 3a est par exemple collée sur le tube 22.
Le deuxième conduit 21b est configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, par exemple de l’air dont la température doit être ajustée pour être transmis dans un système de ventilation. Le deuxième conduit 21b est par exemple formé par un tube 23, notamment en aluminium. La deuxième couche support 3b est par exemple collée sur le tube 23. Le deuxième conduit 21b peut comprendre des ailettes de déviation du flux d’air (non représentées) afin de maximiser les échanges thermiques entre l’air circulant dans le deuxième conduit 21b et le module thermoélectrique 1. Les ailettes peuvent être réalisées en métal, notamment en aluminium. Les ailettes peuvent être fixées sur la face interne du deuxième conduit 21b par exemple par soudage, notamment par soudage par friction ou soudage par spots, par collage ou par brasage.
Le deuxième conduit 21b peut correspondre à un conduit d’aération d’un véhicule automobile dont on veut contrôler la température de l’air, le premier conduit 21a étant alors configuré pour recevoir un liquide de refroidissement, par exemple de l’eau glycolée, pour évacuer la chaleur lorsque l’on veut refroidir la température de l’air du deuxième conduit 21b. Dans ce cas, la température de l’eau glycolée est par exemple comprise entre 0°C et 40°C, de préférence entre 0°C et 10°C avec un débit compris entre 1L/h et 15L/h.
Il est également à noter que le module thermoélectrique 1 peut être utilisé aussi bien pour réchauffer que pour refroidir l’air du deuxième conduit 21b. Pour cela, la valeur (positive ou négative) du courant transmis au module thermoélectrique 1 peut être ajustée, par exemple par un circuit de commande et d’alimentation du véhicule automobile. De plus, en mode chauffage, la circulation du liquide de refroidissement dans le premier conduit 21a peut être stoppée.
D’autres combinaisons de fluides caloporteurs peuvent être utilisés dans le premier 21a et le deuxième 21b conduits comme par exemple deux gaz ou deux liquides.
Un tel échangeur thermique 20 permet notamment du fait des matériaux utilisés d’avoir un coût limité. De plus, l’utilisation de couches supports 3a, 3b d’épaisseur réduite et d’éventuels vias 9 permet de transférer efficacement la chaleur entre les plots thermoélectriques 7 et les conduits 21a, 21b.
Le procédé de fabrication d’un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment va maintenant être décrit à partir de l’organigramme de la .
La première étape 101 concerne la fourniture d’une première 3a et d’une deuxième 3b couches supports. Les couches supports 3a et 3b sont par exemple des plaques en matériau polymère, notamment en polyimide (PI) ou en polynaphtalate d’éthylène (PEN), d’une épaisseur inférieure à 200μm, par exemple entre 100μm et 150μm, notamment 120μm.
La deuxième étape 102 est une étape optionnelle et concerne le perçage de trous traversants à des emplacements prédéterminés dans les première et deuxième couches supports 3a, 3b.
La troisième étape 103 concerne le dépôt d’un ensemble de pistes métalliques conductrices 5a, 5b sur les couches supports 3a, 3b respectives. Les pistes métalliques conductrices 5a, 5b sont par exemple en cuivre et le procédé de déposition peut être le même que pour les circuits imprimés.
La quatrième étape 104 est une étape optionnelle et concerne le dépôt d’une couche de matériau conducteur thermiquement 11 à l’intérieur des trous traversants pour former des vias 9 et dans les zones situées autour des trous traversants ainsi que dans les zones dépourvues de pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Des espaces dépourvus de matériau conducteur thermiquement 11 sont ménagés, par exemple autour des pistes métalliques 5a, 5b pour éviter tout contact entre la couche de matériau conducteur thermiquement 11 et les pistes métalliques conductrices 5a, 5b ou à des endroits prédéterminés si la couche de matériau conducteur thermiquement 11 vient en contact avec les pistes métalliques conductrices 5a, 5b. Ces endroits prédéterminés sont choisis pour permettre les contacts électriques voulus entre les plots thermoélectriques 7 permettant notamment leur mise en série. Le matériau conducteur thermiquement 11 peut être du cuivre et peut être déposé par le même procédé que les pistes métalliques 5a, 5b. La troisième étape 103 et la quatrième étape 104 peuvent être réalisées simultanément. La quatrième étape 104 peut également comprendre le remplissage des vias 9 par un matériau conducteur thermiquement qui peut être le même que celui de la couche 11 et des pistes 5a, 5b, par exemple du cuivre.
La cinquième étape 105 concerne la fixation des plots thermoélectriques 7 sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b de la première et de la deuxième couches supports 3a, 3b. La fixation est par exemple réalisée par brasage. De la pâte à braser 6 est par exemple disposée aux emplacements destinés à recevoir les plots thermoélectriques 7 puis les plots thermoélectriques 7 sont positionnés sur la pâte à braser 6 puis fixés par un recuit de brasage.
La sixième étape 106 concerne la fixation de fils d’alimentation sur les pistes métalliques conductrices 5a, 5b, par exemple deux fils d’alimentation reliées à une première et une deuxième extrémités de la mise en série de plots thermoélectriques 7 de manière à fournir un courant à l’ensemble des plots thermoélectriques 7 reliés en série. Cette fixation est par exemple réalisée par soudage.
La septième étape 107 concerne la formation du premier conduit 21a et du deuxième conduit 21b. Le premier conduit 21a peut être formé par un tube 22 qui est fixé sur la première couche support 3a, par exemple par collage. Le deuxième conduit 21b est par exemple réalisé par un tube 23 qui est fixé sur la deuxième couche support 3b, par exemple par collage.
Un tel procédé de fabrication permet, de par sa simplicité, une fabrication en grande série d’échangeurs thermiques 20 avec un coût de fabrication réduit du fait des matériaux utilisés. De plus, l’utilisation de couches supports 3a, 3b en matériau polymère d’épaisseur réduite permet d’obtenir des couches supports 3a, 3b flexibles pouvant s’adapter avec des formes de conduits 21a, 21b non planes et pouvant mieux résister aux éventuelles déformations ou vibrations des conduits 21a, 21b sur lesquelles elles sont fixées.
Claims (10)
- Module thermoélectrique (1) comprenant :
- une première (3a) et une deuxième (3b) couches supports en matériau polymère,
- un premier (5a) et un deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices disposées respectivement sur la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports,
- un ensemble de plots thermoélectriques (7) en matériau semi-conducteur de type P et de type N disposés entre le premier (5a) et le deuxième (5b) ensembles de pistes métalliques conductrices,
dans lequel les ensembles de pistes métalliques (5a, 5b) sont configurés pour relier en série l’ensemble de plots thermoélectriques (7) avec une alternance de plots de type P et de type N,
caractérisé en ce qu’au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est réalisée dans un matériau ayant une température de fusion supérieure à 220°C et présente une épaisseur inférieure à 200μm, notamment comprise entre 100μm et 150μm. - Module thermoélectrique (1) selon la revendication 1 dans lequel le matériau polymère des couches supports (3a, 3b) a un module d’élasticité supérieur ou égal à 60 GPa.
- Module thermoélectrique (1) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est réalisée en polyimide « PI » ou en polynaphtalate d’éthylène « PEN ».
- Module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une de la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports comprend une pluralité de trous reliant une première face à une deuxième face de ladite au moins une de la première (3a) et la deuxième (3b) couches supports, la surface des trous étant recouverte d’une couche d’un matériau conducteur thermiquement (11) pour former un via traversant (9) assurant un transfert thermique entre la première et la deuxième faces des première (3a) et deuxième (3b) couches supports.
- Module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel au moins une des première (3a) et deuxième (3b) couches supports est une couche multi-étagée comprenant un empilement de sous-couches en matériau polymère (30) sur lesquelles sont ménagées des pistes conductrices électriquement (50), lesdites pistes conductrices électriquement (50) permettant la conduction de signaux électriques indépendants.
- Module thermoélectrique (1) selon la revendication 4 et la revendication 5 dans lequel les vias traversants (9) s’étendent sur tous les étages de l’empilement de sous-couches en matériau polymère (30).
- Module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications 6 ou 5 en combinaison avec la revendication 4, comprenant également des patins en matériau conducteur thermiquement configurés pour venir se positionner dans les vias traversants (9).
- Module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 4 dans lequel la couche de matériau conducteur thermiquement (11) vient en contact avec les pistes métalliques conductrices (5a, 5b) et dans lequel la couche de matériau conducteur thermiquement (11) comprend des discontinuités de manière à éviter un court-circuit entre deux pistes métalliques conductrices distinctes (5a, 5b).
- Module thermoélectrique (1) selon la revendication précédente dans lequel les trous des première (3a) et deuxième (3b) couches supports sont remplis de matériau conducteur thermiquement pour former des vias pleins.
- Echangeur thermique (20) comprenant :
- un module thermoélectrique (1) selon l’une des revendications précédentes,
- un premier conduit (21a) sur lequel est fixée la première couche support (3a) et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,
- un deuxième conduit (21b) sur lequel est fixée la deuxième couche support (3b) et configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2200912A FR3133105A1 (fr) | 2022-02-02 | 2022-02-02 | Module thermoélectrique et échangeur thermique associé |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2200912A FR3133105A1 (fr) | 2022-02-02 | 2022-02-02 | Module thermoélectrique et échangeur thermique associé |
| FR2200912 | 2022-02-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3133105A1 true FR3133105A1 (fr) | 2023-09-01 |
Family
ID=82100415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2200912A Pending FR3133105A1 (fr) | 2022-02-02 | 2022-02-02 | Module thermoélectrique et échangeur thermique associé |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3133105A1 (fr) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208741A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Nok Corp | 熱電半導体デバイス、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置、および、製造方法 |
| US20080028769A1 (en) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Lakhi Nandlal Goenka | Heat exchanger tube having integrated thermoelectric devices |
| US20080308140A1 (en) * | 2004-08-17 | 2008-12-18 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Thermo-Electric Cooling Device |
| US20090014046A1 (en) * | 2007-07-12 | 2009-01-15 | Industrial Technology Research Institute | Flexible thermoelectric device and manufacturing method thereof |
| US20150287901A1 (en) * | 2013-10-14 | 2015-10-08 | Alphabet Energy, Inc. | Flexible lead frame for multi-leg package assembly |
-
2022
- 2022-02-02 FR FR2200912A patent/FR3133105A1/fr active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002208741A (ja) * | 2001-01-11 | 2002-07-26 | Nok Corp | 熱電半導体デバイス、熱電半導体デバイスを用いた冷暖装置、および、製造方法 |
| US20080308140A1 (en) * | 2004-08-17 | 2008-12-18 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Thermo-Electric Cooling Device |
| US20080028769A1 (en) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Lakhi Nandlal Goenka | Heat exchanger tube having integrated thermoelectric devices |
| US20090014046A1 (en) * | 2007-07-12 | 2009-01-15 | Industrial Technology Research Institute | Flexible thermoelectric device and manufacturing method thereof |
| US20150287901A1 (en) * | 2013-10-14 | 2015-10-08 | Alphabet Energy, Inc. | Flexible lead frame for multi-leg package assembly |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1685595B1 (fr) | Dispositif de refroidissement d'une electronique de puissance | |
| EP2960937B1 (fr) | Circuit integre comportant un dissipateur de chaleur | |
| US20030218057A1 (en) | Electrical bus with associated porous metal heat sink and method of manufacturing same | |
| EP3273147A1 (fr) | Module lumineux de vehicule terrestre | |
| EP1047294A1 (fr) | Substrat métallique isolé pour circuits imprimés | |
| EP1005083B1 (fr) | Composant électronique de puissance comportant des moyens de refroidissement | |
| JP2022010018A (ja) | 熱応力補償接合層及びこれを包含するパワーエレクトロニクスアセンブリ | |
| FR2937795A1 (fr) | Dispositif electronique a matrice de diodes electroluminescentes de forte puissance comprenant des moyens de refroidissement ameliores | |
| WO2020021197A1 (fr) | Procede de fabrication d'un module electronique de puissance | |
| WO2022128457A1 (fr) | Module thermoélectrique et échangeur thermique associé | |
| EP2936955A1 (fr) | Dispositif de refroidissement pour carte de circuit imprime | |
| FR3133105A1 (fr) | Module thermoélectrique et échangeur thermique associé | |
| FR3048062A1 (fr) | Dispositif de dissipation thermique pour un dispositif lumineux d'un vehicule automobile | |
| CA2374143C (fr) | Substrat pour circuit electronique de puissance et module electronique de puissance utilisant un tel substrat | |
| FR2659493A1 (fr) | Structure de microcanaux pour ailettes de refroidissement d'un element semi-conducteur. | |
| FR3026226A1 (fr) | Plaque de circuit | |
| FR2786658A1 (fr) | Structure composite pour composant electronique de puissance procede de fabrication de cette structure et composant electronique de puissance pourvu d'une telle structure | |
| WO2022218893A1 (fr) | Module de transfert thermique et ensemble de régulation thermique correspondant, notamment pour véhicule automobile | |
| FR3117676A1 (fr) | Module thermoélectrique, échangeur thermique et procédé de fabrication associé | |
| FR3116155A1 (fr) | Module thermoélectrique, échangeur thermique et procédé de fabrication associé | |
| WO2018020189A2 (fr) | Module électronique de puissance d'un aéronef et procédé de fabrication associé | |
| FR3116154A1 (fr) | Echangeur thermique et procédé de fabrication associé | |
| WO2019102135A1 (fr) | Module electronique de puissance | |
| JPH07130925A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| FR2495838A1 (fr) | Dispositif de refroidissement amovible pour supports de circuits integres |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230901 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |