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Convertisseur de puissance therrnique permettant d'alimenter en
électricité un appareil autonome à consommation réduite à partir d'une
très faible différence de température.
s La présente invention concerne un convertisseur d'énergie permettant
d'alimenter un appareil autonome à consommation réduite à partir de
thermocouples soumis à une faible différence de température constituants
une source de très faible tension et de résistance interne faible mais non
nulle, la réalisation des thermocouples, ainsi qu'un procédé de fabrication
to industriel des thermocouples.
De nombreux appareils doivent fonctionner de manière autonome,
c'est-à-dire qu'ils comportent leur alimentation propre. C'est le cas
d'appareils portatifs tels que des montres ~ou des amplificateurs auriculaires
~s qui ne peuvent être raccordés en permanence à un réseau d'alimentation
électrique. C'est le cas également d'appareils disposés dans des endroits
difficilement accessibles tels que les détecaeurs d'intrusion utilisés dans
les
systèmes d'alarme ; ils sont disposés par e:Kemple dans des ouvertures telles
que des fenétres où il est difficile et coüteux d'amener un câble
2o d'alimentation.
Ces appareils autonomes de consommation réduite sont actuellement
alimentés par des piles ou des éléments rechargeables dont la durée de vie
ou de décharge est limitée, ce qui entraïne des opérations de remplacement
ou de recharge relativement fréquentes et oblige à conserver des piles ou
25 accumulateurs de rechange pour éviter une interruption du fonctionnement.
On a déjà envisagé d'exploiter des sources de très faible tension en
utilisant des convertisseurs fournissant une tension de sortie de l'ordre de
quelques volts pour alimenter des appareils de consommation réduite sans
aucune interruption de fonctionnement en utilisant un circuit auto-oscillant
3o comportant un transformateur élévateur et un transistor à effet de champ
dont le trajet drain-source est branché dans. le primaire du transformateur.
Ces convertisseurs connus sont conçus pour osciller de manière à
augmenter la tension et ils ont un rendement médiocre qui ne permet pas
d'extraire, à partir de sources de très faible tension, la puissance
nécessaire
- 3s au fonctionnement d'une montre ou d'un appareil auditif. Par ailleurs, le
fonctionnement de ces oscillateurs est fortement perturbé lorsque la charge
devient importante ; ils peuvent s'arrêter d'osciller ou même ne pas démarrer.
Nous connaissons bïen les documents : 1 (PÉTER WILSON « V
Switching Mode Power Supplies »), 2 (DE 14 37 235 A -Philips)) 3 (US 3 679
40 918 A KEIZI), 4 (F.BUTLER « Transistor Inverter Frequency Stabilized
Circuit
Suitable for Running a Tape Recorder », 5 (Patent Abstracts of JAPAN vol 5,
n°78 (E-058)), 7 (FR 1 162 168 A - Société
FEUILLE DE ~EM~LACEMENT (13EGI_E 26)
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générale d'équipement pour l'automobile, 1a locomotion aérienne). Ces
documents comportent tous des circuits oscillateurs, les schémas
décrits dans les documents 3 et 7 sont les plus proches de l'invention)
cependant aucun d'eux n'est en mesure d'osciller spontanément lorsque
s le circuit est alimenté par une tension continue aussi faible que 10 à 200
millivolt. Ceci est dû à l'effet de seuil présenté par la jonction Base-
Emetteur du transistor oscillateur (de l'ordre de 0,5 volt). Un transistor
bipolaire doit être polarisé pour être en mesure d'être utilisé dans un
circuit auto-oscillant. Ce n'est pas le cas du transistor à effet de champ
~o à jonction JFET utilisé dans la présente invention, il présente une
résistance variable lorsque la tension Grille-Source Vgs fluctue autour
de zéro volt.
Le document 1 ainsi que le document 6 (US 3 913 000 A
GILBERT, CARDWELL) présentent des circuits convertisseurs utilisant
ls la charge d'une inductance pour convertir une tension, le procédé est
connu comme le précise bien le document 6, figure 1. Ce qui est
nouveau dans le cadre de la présente invention, c'est l'association du
circuit auto-oscillant et du convertisseur à découpage optimisé pour les
très faibles puissances (10 microWatt à 10 milliWatt), sans autre source
zo d'énergie pour faire fonctionner le convertisseur.
Le problème à la base de l'invention est de fournir un
convertisseur d'énergie présentant un rendement permettant d'extraire
la puissance et la tension désirées à partir de sources d'énergie
électrique de très faible tension et dont le fonctionnement est assuré
2s même pour une charge importante.
A cet effet, l'invention a pour objet un circuit convertisseur
d'énergie, élévateur de la tension fournie par une source à faible
tension continue de résistance interne non nulle, comportant un circuit
auto-oscillant, fonctionnant à très basse tension, utilisant un
3o transformateur élévateur de tension générant les signaux de commande
de deux hacheurs- survolteurs en fonctionnement alterné) du type
comportant un transistor à effet de champ à enrichissement qui est
utilisé en commutateur synchrone avec le circuit auto-oscillant, qui est
branché en série avec une inductance aux bornes de ladite source et
3s qui est relié au circuit utilisateur à travers une diode.
L'utilisation de circuits hacheurs-survolteurs permet d'extraire
environ 50% de la puissance disponible dans la source. On peut
alimenter des appareils sous une tension de quelques volts à partir
d'une source dont la tension est de l'ordre de quelques dizaines de
4o millivolts.
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De plus, le fonctionnement est assuré pour des charges
importantes.
Avantageusement, on branche en parallèle sur les bornes de
' sortie une diode écrêteuse de tension et un condensateur de grande
s capacité ou un accumulateur.
De cette manière, on fixe la tension de sortie à la valeur désirée.
L'invention a également pour objet un circuit convertisseur
réversible, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits convertisseurs
branchés en antiparallèle sur la source et reliés aux bornes de sortie par
to l'intermédiaire de quatre commutateurs commandés deux à deux par
deux enroulements supplémentaires du transformateur du convertisseur
actif et en ce que chaque convertisseur comporte un dispositif de
blocage bloquant l'autre convertisseur lorsqu'il est actif.
Un tel circuit permet d'extraire: l'énergie fournie par une source
15 dont la polarité est variable. Les deux convertisseurs fonctionnent de
manière alternée en fonction de la polarité de la source, le convertisseur
actif bloquant l'autre convertisseur peur éviter toute perte de puissance
dans le convertisseur non actif.
Avantageusement, le dispositif de blocage comporte un troisième
2o enroulement supplémentaire du transformateur aux bornes duquel est
branché un circuit de redressement générant une tension continue
bloquant le circuit auto-oscillant du convertisseur non actif.
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'alimentation d'un
appareil portatif autonome à partir d'un système thermique comportant
2s une source chaude et une source froide présentant une faible différence
de température entre elfes, telles que l'épiderme d'un être humain et
l'atmosphère ambiante, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit
convertisseur dans lequel la source électrique est constituée par un
ensemble de détecteurs à effet Sesbeck branchés entre les deux
3o sources thermiques. Ce convertisseur convient égaiement pour extraire
la puissance d'une source photovoltaïque.
Un tel dispositif d'alimentation peut être intégré dans une montre
ou un appareil auditif. I1 peut aussi être utilisé pour recharger un
élément rechargeable.
3s D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description qui suit, faite à titre: iliustratif et nullement limitatif,
en
se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels:
la figure 1 est le schéma d'un circuit convertisseur selon
l'invention ;
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la figure 2 est ie schéma d'un circuit convertisseur réversible
selon l'invention ;
les figures 3a à 3f sont des diagrammes de fonctionnement du
circuit convertisseur de la figure 1 ;
s la figure 4 représente un dispositif d'alimentation à partir d'une
source d'énergie d'origine thermique ;
la figure 5 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à
partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur une
cloison ;
to la figure 6 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à
partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur le so! ;
la figure 7 illustre l'utilisation d'un dispositif d'alimentation à
partir d'une source d'énergie d'origine thermique disposé sur une vitre ;
la figure 8 représente un dispositif d'alimentation selon
ts l'invention utilisé en remplacement de la pile d'une montre ;
la figure 9 représente une autre montre équipée d'origine d'un
dispositif d'alimentation selon l'invention ;
ia figure 10 représente encore un autre mode de réalisation
d'une montre selon l'invention ;
20 la figure 11 est le schéma électrique de la montre de la figure 10
et
la figure 12 représente une chaussure équipée d'un dispositif
d'alimentation selon l'invention.
La figure 1 est le schéma d'un circuit convertisseur destiné à
2s extraire l'énergie électrique fournie par une source 1 de trés faible
tension, par exemple de 10 à 200 mV, qui présente une résistance
interne non nulle schématisée en 2 en fournissant une tension de sortie
beaucoup plus élevée, par exemple une tension de 2 V pour un appareil
électronique. La source électrique 1 est branchée sur le primaire 3 d'un
3o transformateur élévateur 4 par l'intermédiaire du trajet source-drain d'un
transistor 5 à effet de champ à jonction (JFET) à canal N. Le transistor
JFET 5 est du type à pincement, c'est-à-dire que pour une tension de
grille nulle, sa résistance drain-source n'est pas infinie mais de l'ordre
de quelques ohms et il se pince lorsque la tension de grille devient
3s négative.
Le secondaire du transformateur 4 comporte deux enroulements
semblables 6 et 6' reliés par un point milieu 7 relié à la masse. La grille
du transistor JFET 5 est relié à la masse par une résistance 8 et au
secondaire 6' par un condensateur 9.
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Lorsque la tension de grille varie, cefa entraîne une variation de
la résistance drain-source et) par suite) une variation du courant dans le
primaire 3 qui crée une tension élevée au secondaire 6' du
transformateur 4. La fréquence de cette oscillation dépend de
s l'inductance du transformateur 4, de la capacité répartie des
secondaires 6 et 6' et de la capacités grille-source du transistor JFET 5.
Le condensateur 9 forme un découplage galvanique de la grille et
permet à l'oscillateur, grâce à la jonction PN grille-source, de
consommer très peu d'énergie.
io Conformément à l'invention, on utilise) pour chaque alternance
de l'oscillation, un circuit du type hacheur-survolteur comportant un
transistor 11, respectivement 12, de type MOS-FET à canal N et à
enrichissement dont la tension grille-source de seuil est faible (par
exemple, 1 à 3 V), une inductance 13, respectivement 14, et une diode
ts Schottky 15, respectivement 16. Chaque transistor MOS-FET 11,
respectivement 12) est branché en série avec l'inductance 13,
respectivement 14, et leurs grilles sont commandées par le secondaire
6', respectivement 6 du transformateur 4 dont les sorties sont croisées
de manière que les tensions de grille: des deux transistors MOS-FET 11
2o et 12 soient en opposition de phase.
Les diodes Schottky 15 et 16 sont branchées chacune entre le
drain du transistor MOS-FET et le pôle positif de sortie. Un
condensateur 17 de capacité très élevée et une diode écrêteuse de
tension 18 sont en parallèle sur les bornes de sortie du convertisseur.
25 Ces deux éléments servent à fixer is: valeur de la tension de sortie ; ils
peuvent être remplacés par un élément rechargeable.
Le fonctionnement de ce circuit convertisseur est illustré par les
diagrammes des figures 3a à 3f qui représentent respectivement les
tensions des secondaires 6 et 6', le courant dans l'une des inductances,
30 la tension drain-source d'un des transistors, le courant traversant l'autre
inductance, la tension drain-source de l'autre transistor et la tension de
la source 1. Lorsque la tension de grille du transistor 12 est positive et
supérieure au seuil, Vs, ce transistor est conducteur) l'inductance 14
accumule de l'énergie au fur et à mesure que le courant la parcourant
. 3s croit, tandis que la tension aux bornes de la source 1 décroït de manière
Quasi linéaire. Lorsque la tension de grille repasse en dessous du seuil,
le transistor 12 se bloque et l'énergie stockée dans l'inductance 14 est
transférée à la borne positive de sortie par la diode Schottky 16. Pour
l'alternance suivante, c'est le transistor 11 qui charge l'inductance 13
4o qui se décharge ensuite à la sortie.
L'avantage de l'utilisation des deux hacheurs-survolteurs est
que l'auto-oscillateur est, du point de vue énergétique, utilisé dans sa
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seule fonction d'oscillateur et que l'on utilise la tension alternative
disponible seulement pour piloter les hacheurs-survolteurs.
La figure 2 représente un convertisseur réversible qui peut
extraire l'énergie fournie par une source 21 de très faible tension dont la
s polarité varie. Deux circuits convertisseurs sont branchés en
antiparallèle sur cette source de manière à fonctionner de manière
alternée en fonction de la polarité de ia source 21. Chacun de ces
circuits comporte un transistor JFET 22, respectivement 22', un primaire
23, respectivement 23') un secondaire à double enroulement 20-24,
respectivement 20'-24', deux transistors MOS-FET 25 et 26)
respectivement 25' et 26', deux inductances 27 et 28, respectivement
27' et 28', et deux diodes Schottky 29 et 31, respectivement 29' et 31'
qui sont branchées sur ia sortie 32 par l'intermédiaire de commutateurs
qui seront décrits plus bas.
~s Le transformateur de chaque convertisseur comporte un
enroulement supplémentaire 33, respectivement 33', dont ta tension est
envoyée sur un circuit redresseur constitué de deux diodes 34,
respectivement 34', associées à un condensateur 35, respectivement
35', et dont la tension continue de sortie est appliquée entre la source et
20 la grille du transistor JFET 22', respectivement 22 du circuit auto-
oscillant de l'autre convertisseur de manière à assurer le blocage du
deuxième convertisseur pendant que le premier est actif et inversement.
La tension de sortie de chaque hacheur-survolteur est envoyée
sur les bornes de sortie, U+ et U-, par l'intermédiaire de Quatre
2s commutateurs 39, 41, 38 et 37, des transistors MOS-FET, qui sont
montés en pont et sont commandés chacun par la tension issue des
enroulements supplémentaires 42 et 43, respectivement 42' et 43') du
transformateur de chaque convertisseur qui est redressée par des
diodes 44 et 45) respectivement 44' et 45', et filtrée par des
3o condensateurs.
Lorsque la tension délivrée par la source 21 est positive, c'est le
circuit auto-oscillant bâti autour du transistor JFET 22 qui oscille. Ce
faisant, il délivre une tension continue qui assure la conduction des
commutateurs à transistor MOS-FET 41 et 39. La borne positive du
3s hacheur-survolteur {cathode des diodes 29 et 31 ) est ainsi commutée
via le trajet drain-source du transistor MOS-FET 41 sur 1a sortie U+. La
sortie négative du hacheur-survolteur (sources des transistors 22, 25 et
26} est ainsi commutée via le trajet source-drain du transistor MOS-FET
39 sur la sortie U-.
4o Par ailleurs, l'enroulement 33 délivre une tension qui, une fois
redressée par les diodes 34 et filtrée par le condensateur 35, va bloquer
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le transistor JFET 22' du circuit auto-oscillant non actif mais dont la
résistance drain-source était jusqu'alors faible.
. Lorsque la tension délivrée par la source 21 est négative, c'est
le circuit auto-oscillant bâti autour du transistor JFET 22' qui oscille. Le
fonctionnement est identique au fonctionnement décrit précédemment.
' Le commutateur à transistor MOS-FE:T 38 va commuter la sortie positive
du hacheur-survolteur (cathode des diodes 29' et 31') sur ia sortie U+.
Le commutateur à transistor MOS-FET 37 va commuter la sortie
négative du hacheur-survolteur (sources des transistors 22', 25' et 26')
to sur la sortie U-.
De même, une tension négative issue du redressement de la
tension du secondaire 33' va bloquer le transistor JFET 22.
L'enroulement 20, respectivement 20', constitue une variante de
l'enroulement 6' du montage de la figure 1. II permet de faire fonctionner
ts le circuit auto-oscillant avec le rapport de transformation correct et il
permet d'augmenter la tension de commande des transistors MOS-FET
du hacheur-survolteur de manière à obtenir des commutations plus
franches.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la source d'énergie
2o de faible tension est constituée par un ensemble de détecteurs à effet
Seebeck placés entre une source thermique chaude et une source
thermique froide dont la différence de température est faible, par
exempte quelques degrés. Ces deux sources peuvent être constituées
par l'épiderme de la personne utilisant un appareil autonome et le milieu
2s ambiant.
La figure 4 illustre le principe d'un tel dispositif d'alimentation
utilisant une chaleur d'origine animale. II comporte un substrat 51 en
matière thermiquement isolante dans lequel sont placés des détecteurs
à effet Seebeck 52, sous forme de petits barreaux, c'est-à-dire des
3o sortes de thermocouples. Compte tenu de la faible valeur de la tension
délivrée par de tels détecteurs, à savoir 0,2 mV par degré Celsius
(coefficient de Seebeck), ils sont branchés en série pour obtenir une
tension de 10 à 200 mV. Tous les barreaux sont placés entre une plaque
collectrice 56 disposée à même la peau 53 de l'utilisateur et un
35 échangeur de chaleur 54 échangeanit la chaleur avec l'air ambiant. Deux
électrodes 55 fournissent la sortie basse tension destinée au
convertisseur.
La figure 5 illustre l'utilisation d'une source d'origine thermique
entre les deux c8tés d'une paroi ~61. Les détecteurs Seebeck sont
ao disposés entre un radiateur 62 disposé à l'intérieur de la pièce et
constituant un échangeur de chaleur avec l'air intérieur et échangeur 63
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avec l'air extérieur qui comporte un montant 64 traversant la paroi 61
dans une section 65 en matiére thermiquement isolante.
La figure 6 illustre le cas où l'on utilise la différence de
température avec le sol 71. Un support thermiquement isolant 72 est
s placé dans le sol et il comporte à sa partie supérieure un échangeur de
chaleur de surface 73. Les détecteurs Seebeck sont disposés entre la
face inférieure de cet échangeur de chaleur 73 et la face supérieure
d'un pieu 74 collecteur thermique planté dans le sol.
Ce dispositif d'alimentation utilise un convertisseur réversible
io car la différence de température entre le sol et l'air ambiant s'inverse
entre le jour et la nuit. Ce dispositif d'alimentation peut par exemple être
utilisé dans le domaine de la signalisation routière au sol. En particulier,
on peut l'utiliser pour alimenter un dispositif lumineux 75 telle qu'une
diode électroluminecente et réaliser une bande blanche balisée.
ls La figure 7 représente l'utilisation de la différence de
température entre les deux faces d'une vitre 81. On emploie un
échangeur de chaleur 82 disposé suc la paroi extérieure de la vitre en
contact avec l'air extérieur, une plaque collectrice 83 placée sur ia face
intérieure de la vitre et un échangeur de chaleur 85 disposé à l'intérieur
2o sur un support thermiquement isolant 84 placé sur la face intérieure de
la vitre et recevant la plaque collectrice 83. Les détecteurs Seebeck
sont disposés entre la plaque collectrice 83 et !'échangeur de chaleur
85.
Le dispositif d'alimentation des figures 5 et 7 peut par exemple
2s être utilisé pour alimenter un détecteur d'intrusion disposé au niveau
d'une ouverture d'un local, tel qu'une fenêtre et fonctionnant de manière
autonome.
La figure 8 est une vue en coupe d'une montre 91 qui comporte,
dans le fond de son boitier, un logement de pile 92. Une alimentation
3o conforme à l'invention est intercalée entre la peau de l'utilisateur et le
fond du boîtier en lieu et place du couvercle de fermeture d'origine de Is
montre. Elfe comporte un fond collecteur de chaleur 93 sur lequel les
détecteurs Seebeck 94 sont disposés selon un cercle en étant noyés
dans un matériau thermiquement isolant 95. Un réceptacle 96
3s présentant la forme d'une pile comprend les circuits électroniques et
vient se placer dans te logement de pile 92.
La figure 9 représente une montre dans laquelle le dispositif
d'alimentation est intégré dans le boîtier. Dans ce cas encore, les
détecteurs Seebeck 101 sont disposés en couronne et les circuits
4o électroniques contenus dans le corps 102 de la montre et noyés dans
un matériau thermiquement isolant 103.
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La figure 10 représente un mode de réalisation d'une montre où,
pour augmenter la surface d'échange et) par suite, la puissance de ta
source, les détecteurs Seebeck sa~nt placés dans le bracelet de la
montre qui est constitué de maillons articulés dans lesquels sont placés
s des détecteurs Seebeck. Dans ce cas, on a ajouté un générateur
photovoltaïque 111 sur un des maillons ; il peut être directement mis en
parallèle sur la sortie du dispositif d'alimentation selon l'invention ou
comporter également un circuit convertisseur. La figure 11 indique le
schéma électrique de l'ensemble, les sources constituées par chaque
maillon étant branchées en série pour constituer la source électrique
relié au convertisseur.
La figure 12 représente l'intéç~ration d'un dispositif d'alimentation
selon l'invention dans un élément chaussant tel qu'une chaussure. Dans
ce cas, les détecteurs Seebeck 121 sont logés dans la semelle 122 de
ns la chaussure et utilisent la différence de température entre le pied de
l'utilisateur et le soi. On prévoit alors une plaque 123 d'évacuation de la
chaleur des pieds qui est en contact avec les détecteurs Seebeck ainsi
qu'une plaque 126 collectrice de l;a chaleur des pieds. Les circuits
électroniques 124 sont également logés dans la semelle 122.
2o Le dispositif d'alimentation peut étre utilisé pour alimenter des
éléments de sécurité tels que des dia~des électroluminescentes 125.
Dans te cas d'une chaussure: de ski, le dispositif d'alimentation
peut faire fonctionner un émetteur ou un transpondE;rr permettant de
retrouver l'utilisateur en cas d'accident tet qu'une avalanche ou
25 alimenter par contact le dispositif élE:ctronique de déclenchement de la
sécurité des fixations.
La description ci dessus d'exemples de réalisation de l'invention
n'a été fournie qu'à titre illustratif et nullement limitatif et l'on peut y
apporter des modifications ou variantes sans sortir pour autant du cadre
3o de la présente invention. En particuü~er, on peut utiliser d'autres sources
de très faible tension ou en utiliser plusieurs en combinaison.
Le convertisseur réversible de la figure 2 peut étre utilisé dans
le cas d'échanges de chaleur avec l'air ambiant, par exemple dans le
cas des figures 5 à 7. Ce convertisseur réversible permet de fournir une
3s alimentation quand la différence de température, par exemple entre la
terre et l'air ambiant, s'inverse entre le jour et la nuit. On récupère toute
l'énergie possible en utilisant le flux et le reftux des échanges
thermiques.
Par ailleurs, on peut réaliser un amplificateur auriculaire
4o alimenté par un dispositif d'alimentation utilisant la différence de
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IO
température entre la peau et l'air ambiant et disposé dans ou autour de
l'oreille.
Un tel convertisseur d'énergie exploite efficacement tes très
faibles tensions générées sous faible impédance par un module
thermoélectrique utilisant l'effet Seebeck, lorsque celui-ci est soumis à
une faible différence de température.
It exploite également efficacement les très faibles tensions
Io générées sous faible impédance par un module thermoélectrique
utilisant l'effet Seebeck ne comportant que quelques paires, lorsque
celui ci est soumis à une forte différence de température.
Un tel thermocouple par exemple constitué en FeSi2 dopé N et
P supporte des différences de température d'environ 700 °C, une
paire
t5 unique génère alors entre 100 mV et 1V.
Une paire unique peut par exemple contribuer à alimenter un
thermomètre pour mesurer avec un capteur autonome des températures
élevées. L'action du convertisseur en sortie de thermocouple régule la
tension de d'alimentation du thermomètre, le thermomètre peut par
2o exemple exploiter la tension du thermocouple pour mesurer la
température.
Un premier exemple de réalisation d'un thermocouple à
disiliciure de fer concerne la mesure de la température d'un récipient
alimentaire, une casserole) un autocuiseur ou une poéle par exemple.
2s La génération d'énergie est réalisée par l'élément en FeSi2
intercalé entre la paroi du récipient chauffée lors de la cuisson, et le
manche, qui fait office de radiateur. Le convertisseur connecté en sortie
de thermocouple génère la tension de fonctionnement du thermomètre.
Ce premier exempte peut également âtre réalisé avec un module
3o thermocouple à base de tellure de bismuth tel que décrit dans la
deuxième parie du texte, en lieu et place de l'élément en FeSi2) dés tors
que la température chaude ne dépasse pas 250°C.
Un second exemple de réalisation concerne la sécurité des
35 réchauds à gaz, dont l'auto-extinction accidentelle est à la base de
nombreux accidents.
Un dispositif d'allumage piézoélectrique est destiné à rallumer
automatiquement la flamme soufflée accidentellement. Un couple en
FeSi2 dont une jonction est dans la flamme et l'autre à la température
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de l'eau du tuyeau d'arrivée constitue un excellent moyen d'alimenter
électriquement le dispositif d'allumage. Le circuit convertisseur sécurise
son fonctionnement et simplifie l'installation.
s Un troisième exemple d'application concerne la génération
électrique d'une voiture.
Traditionnellement assurée p;ar un alternateur) la recharge de la
batterie et la fourniture de la puissance électrique s'effectue au
détriment de la propulsion. Pourtant le moteur thermique dissipe
~o beaucoup de chaleur perdue dans l'environnement.
Cette chaleur être convertie par un procédé thermoélectrique en
courant sous tension 12V. Un thermocouple FeSl2 en contact avec
l'échappement des gaz et en contact avec le circuit d'eau observe une
différence de température entre ses faces qui peut atteindre 700 °C.
is Un couple suffit pour générer une tension exploitable par le
circuit convertisseur précédemment décrit. Une version forte puissance
de ce circuit serait préconisée.
L'économie de carburant résultant d'un tel procédé peut
atteindre 20%.
On décrit ci après un mode de réalisation d'un module
thermocouple utiliser pour les faibles différences de température, à base
de tellure de bismuth.
2s Les thermocouples dits éléments à effet Peltier ou Seebeck
sont utilisés dans l'industrie de façon courante pour le refroidissement.
Parcouru par un courant d'alimentation, le thermocouple
absorbe la chaleur sur tune de secs faces et la rejette sur l'autre.
Fonctionnant comme pompe à chaleur sans pièce mobile, ce dispositif
3o est remarquable par son intégration et sa fiabilité plus que pour son
rendement énergétique et son coût de fabrication.
Soumis à une différence de température entre ses faces
collectrices, et parcouru par un flux thermique) le thermocouple agit
comme un générateur électrique à basse impédance, il transforme une
3s partie du flux thermique en puissance: électrique exploitable. La aussi) le
générateur est remarquable de simplicité mais déplore un rendement
médiocre, et une rentabilité économique discutable.
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Les modules thermoélectriques sont traditionnellement
constitués d'un circuit électrique mettant en série des barreaux semi-
conducteurs alternativement dopés N et P, ces barreaux sont soumis en
parallèle au flux thermique traversant le module.
s Traditionnellement, ces barreaux verticaux sont alignés en rangs
serrés sur un plan horizontal, et pris en sandwich entre deux plaques
céramiques isolantes munies d'un circuit électrique sérigraphié.
- Une caractéristique générale de ce type de réalisation est la
faible impédance électrique du module, conséquence directe du nombre
lo limité des barreaux de faibles résistances électriques. II en résulte soit
la nécessité d'une alimentation basse tension pour la génération de
froid, soit l'usage d'un convertisseur élévateur de tension en sortie de
thermocouple générateur.
- Une seconde caractéristique concerne la difficulté d'intégration
15 ou d'assemblage de ce module dans un système thermique: le flux
thermique ne franchissant pas les interstices, le module doit étre collé
ou comprimé ou soudé à ses drains thermiques, cela nécessite
précision et savoir faire, et cela entraîne des pertes de rendement. Les
modules sont en général réalisés en céramique, pour garantir l'isolation
2o électrique du circuit et la bonne conduction du flux thermique, et pour
éviter la rupture entraînée par les dilatations associées aux différences
de température entre les faces. II n'est pas possible de souder ces
modules, le collage est délicat et ia compression nécessite des
assemblages dissipateurs. De plus, les drains thermiques auxquels sont
2s rapportés les modules doivent présenter des conductivités élevées ou
des dissipations importantes en raison de l'intensité du flux qui traverse
le module.
- Une troisième caractéristique des modules concerne leur
sensibilité à la corrosion. En effet, les barreaux semi-conducteurs sont
3o généralement assemblés sans protection, afin de limiter les pertes
thermiques, ils sont alors exposés à la corrosion.
- Enfin, la caractéristique critique de ces modules est leur coût.
Les facteurs du coût sont successivement: le prix de la matière
première thermoélectrique, le coût de la transformation, le coût de la
3s découpe en éléments,
la manipulation d'éléments miniatures) ie coût de la céramique,
de sa découpe, de sa sérigraphie et de ia soudure et enfin te coüt de
l'assemblage du pressage et de la cuisson du module.
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L'invention présente un module thermoélectrique qui améliore
les quatre caractéristiques générale:>, un procédé de réalisation de tels
modules ainsi que quelques exemples d'applications.
Selon l'invention, les thermocouples sont réalisés à partir
s de matériaux semi-conducteurs aux porteurs de type N et P, reliés en
série électriquement et en parallèle thermiquement.
Les matériaux de types P sont par exempte réalisés à partir d'un
alliage contenant une composition de 77.5 % de Sb2Te3 dans 22.5 % de
Bi2Te3 , tes matériaux de type N sont réalisés à partir d'un alliage
~o comportant 5 % de Bi2Se3 dans 95 °~o de Bi2Te3 .
Selon l'invention chaque matériau fait l'objet d'un recuit
sous vide à température de 650 ° C pendant une durée de 12 heures
environ, sous ampoule de quartz, puis d'une cristallisation à
température contrôlée selon la méthode dite THM ( Travelling Heater
~5 Method ), générant un barreau de .diamètre de l'ordre de 30 mm de
diamètre à la vitesse de 20 mm par jour environ. Par cette méthode, il
est obtenu des matériaux polycristallins de haute qualité
thermoélectrique, dont le coefficient de mérite Z de l'ordre de 3 10-3 K-'
dépasse celui des matériaux commercialisés à ce jour ( Z = 2.5 10-3 K-'
2o environ ). Un tel matériau augmente le coefficient de performance d'un
dispositif refroidisseur d'environ 30 °/> par rapport aux matériaux
utilisés
à ce jour. II présente un axe de meilleure efficacité A) dans l'axe du
barreau, tel que représenté figure 13.
Selon l'invention, les matériaux sont découpés en
25 barreaux, assemblés, et enveloppés.
Selon un mode de réalisation préférentiel mais non exclusif, le
thermocouple élémentaire est constitué d'un même nombre de barreaux
dopés N et de barreaux dopés P alignés et intercalés. Ces barreaux
sont de dimensions égales, de base par exemple carrée de largeur L
3o entre 0.45 x 0.45 et 1 x 1 mm et de hauteur H entre 1 et 3 mm. Le
nombre de barreaux variera en fonction des applications entre 20 et 400
environ. Figure 14
Selon l'invention les barreaux alignés alternativement N
(221 ) et P (222) sont collés les uns aux autres par les flancs en vis à
35 vis. Un tel collage sera réalisé par e:xempfe par insertion entre chaque
barreau d'une membrane 223 pré~imprégnée, therrnocollable) dont
l'adhérence est assurée lors d'un cycle de compression à chaud.
Un film kapton de faible épaisseur: environ 25 microns,
préimprégné sur une épaisseur totale de 75 microns réalise une liaison
ao solide et durable entre chaque barreau, en assurant l'isolation électrique
entre ceux ci.
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Le kapton, d'une conductivité thermique 10 fois plus faible que
le matériau thermoélectrique n'entraîne qu'un très faible pont thermique
entre les barreaux, son influence sur les performances est négligeable.
De plus le kapton est un matériau renforcé, compatible avec le collage
époxy. II consolide la structure en protégeant les barreaux.
Une membrane en fibre de verre préimprégnée époxy
convient également.
Selon l'invention, les barreaux alignés sont enveloppés sur
les flancs par une membrane de faible épaisseur 224. Celle ci est collée
lo sur les flancs, adhère aux barreaux et aux membranes intercalaires.
Ces membranes achèvent de consolider l'alignement, protègent chaque
barreau dont seules les sections 225 restent apparentes.
Une telle membrane est par exemple réalisée à partir d'un
tissage fibre de verre préimprégné de résine époxy ou d'un film kapton
préimprégné dans une résine époxy.
Le kapton présente l'avantage d'un préencollage sur une face
unique exclusivement. Le thermocollage sous pression consolide et
rigidifie la structure.
Le verre époxy sera préféré pour permettre une mise en forme
2o de l'élément avant thermodurcissement. II apparaTt possible de fléchir
l'élément et de lui donner la courbure indispensable à certains
assemblages. Une telle forme représentée en vue de dessus figure 16
sera imposée avant cuisson, laquelle la figera définitivement.
Selon l'invention, les barreaux sont connectés
électriquement en série, ies jonctions N P entre deux barreaux
successifs étant réalisées sur les sections supérieures, les jonctions P
N sur les sections inférieures.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ies
jonctions sont réalisées directement sur la section des barreaux, par
3o des pistes en nickel 231 figure 15 d'une épaisseur de l'ordre de 50
microns environ. Chaque élément de jonction présente une longueur
légèrement inférieure à 2xL et une largeur de L, il assure la jonction en
recouvrant totalement la surface de section de deux barreaux
successifs. Selon plusieurs exemples de réalisation qui seront détaillés
dans la description du procédé de fabrication, la section est soit
recouverte d'une couche de nickel chimique de l'épaisseur de 50
microns, sectionnée aux endroits opportuns, soit recouverte d'une
couche d'accrochage ultra mince en nickel, sur laquelle est brasée au
bismuth étain 232 la piste de nickel, ou bien la section est attaquée à
l'acide qui ne préserve que le bismuth, lequel est brasé au bismuth avec
la piste nickel.
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Par ce premier mode de réalisation, le circuit électrique en
nickel est déposé directement sur legs sections, ce qui contribue à la
protection du matériau car le nickel constitue une excellente barrière
chimique et ne s'oxyde que peu.
s Dans ce premier mode de réalisation, la barrette sera
préférentiellement collée aux drains thermiques 251 figure 17 lors de
l'assemblage, selon les procédé usuels en électronique visant à dissiper
la chaleur des composants vers le circuit sur lequel ils reposent.
Un tel collage assure une isolation électrique entre le
lo composant et le support par exf:mple métallique et conducteur
électrique, cette qualité est indispensable pour que les pistes nickel ne
soient pas court-circuitées. Un tel collage assure une bonne conduction
de ia chaleur vers le support en raison de ta conductivité thermique
intrinsèque de la résine 252 optimisée pour cette application. Une bonne
ls résine présente une conductivité équivalente à celle du matériau
thermoélectrique. Enfin) la tenue mécanique d'un tel collage peut être
optimisée par un renfort en fibre de verre dans la résine, garantissant
une reprise d'effort sécurisée. Une colle époxy chargée d'une
céramique conductrice imprégnant un tissage fin de fibre réalise une
optimisation de la tenue mécanique. Un tel collage réalisé à chaud sous
pression fixe la barrette sur le support avec un ancrage robuste. L'époxy
de la colle thermique fusionnant avec l'époxy des membranes, la
structure est renforcée et les barreaux sont alors totalement
enveloppés.
2s Selon un second modE: de réalisation figure 18, les
sections des barreaux sont recouvertes d'une très fine couche de nickel
faisant barrière de diffusion. La barrette est brasée au bismuth étain 263
sur un circuit imprimé 261 qui réalise les jonctions inter-barreaux, par
des pistes parallèles 262 contiguës isolées entre elles espacées au pas
3o de 2L et d'une largeur légèrement inférieure à 2L. Ces pistes
rectangulaires 262 ont une longueur de quelques millimètres, elles sont
en cuivre nickelé. Dans ce second mode de réalisation, ie circuit
imprimé est réalisé à partir d'une membrane mince 264 de 'type ffex'
constituée d'un tissage en fibre de verre imprégné d'une résine époxy
3s chargée d'éléments conducteurs de l;a chaleur, tels qu'une poudre de
céramique) recouvert d'une feuille de cuivre 262 d'épaisseur classique,
35 ou 70 microns. II sera pris soin de d'effectuer une gravure du circuit
en cuivre puis un dépôt nickel comme barrière de diffusion, et enfin un
préétamage au bismuth.
4o Un exemple de réalisation met en oeuvre un préiaminé verre
époxy chargé au nitrure de bore collé sur un feuillard de cuivre. La
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sérigraphie et la gravure du cuivre définissent le circuit, il est alors
brasé après nickelage sur les barreaux.
Dans ce second mode de réalisation, le circuit imprimé est
collé contre les pièces métalliques faisant drain thermique 265, en
s aluminium, cuivre, étain, t8le, acier au nickel, Invar ou inox selon
l'application, ou bien ie circuit est intégré, à un circuit classique
disposant de plan de cuivre dissipateurs et par exemple de traversées
cuivrées pour le transfert de la chaleur.
Les circuits imprimés du type stratifié cuivre sur aluminium
lo conviennent particulièrement à l'application, après nickelage du cuivre.
Dans ce mode de réalisation, la barrette est prise en
sandwich entre deux tels circuits et pressée à chaud afin de consolider
à la fois la brasure et la colle époxy.
15 II a été décrit deux exemples de réalisation du
thermocouple élémentaire sous forme d'une barrette constituée d'un
alignement de barreaux de matériau alternativement dopé N et P. Dans
un cas le circuit électrique est réalisé en nickel sur fa barrette munie de
connecteur aux extrémités, dans l'autre cas le circuit est réalisé sur le
2o support, sous la forme d'un circuit imprimé, sur lequel est brasé ia
barrette.
Dans les deux cas la barrette est pressée à chaud de
préférence entre le support faisant drain thermique inférieur et le drain
thermique supérieur.
2s Un pressage à froid avec une colle thermique
polymérisable est également envisageable.
Un autre exemple de réalisation du module est constitué de
multiples barrettes accolées pour constituer un bloc dont les dimensions
sont de l'ordre de 10x10x2 mm3. Sa constitution est semblable, ses
3o caractéristiques similaires.
Selon l'invention) le composant élémentaire présente des
caractéristiques élémentaires d'impédance électrique, thermique, de
puissance de froid, ainsi qu'une section utile correspondant à la section
3s de sa base.
Les modes d'assemblage de ces barrettes thermocouples
élémentaires rendent aisée leur intégration dans des systèmes de
refroidissement thermoélectrique ou des générateur thermoélectriques)
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car il permet d'adapter la densité et le: nombre de modules élémentaires
aux caractéristiques électriques et thermiques des interfaces.
En particulier, un thermocouple classique présente une
conductivité thermique importante, et potentiellement un flux important,
entraînant parfois la nécessité de dissiper chaleur et froid par des
radiateurs à ailette importants et en régime forcé.
Une moindre densité de matière thermoélectrique permet
par exemple à moindre coût d'étaler sur une surface importante les
thermocouples, et donc de disposer de surfaces d'échange plus
lo importante sans ventilation ni ailette, encombrantes. Cela simplifie le
transport de fa chaleur. Par ce procc:dé, les faces froides et chaudes
peuvent n'être que de simples plaques très discrètes d'aluminium
isolées l'une de l'autre par une mousse autocollante placée autour des
composants.
ls En thermogénération, lea écarts de températures sont
réduits, les puissances dissipées sont faibles, les densités de barrette
également.
Selon l'invention, nous décrivons un premier exemple de
2o réalisation d'un dispositif de refroidissement par exemple destiné à un
mini-réfrigérateur.
Un tel dispositif comporte une face intérieure, froide, une
face extérieure, chaude, et en option un échangeur de chaleur.
En fonction des performances, la face chaude extérieure
2s dissipe environ deux fois la chaleur ~>rélevée dans la partie froide. On
prévoira donc parfois une ventilation forcée dont le principe est décrit ci
après.
La face froide 271 figure 19 constitue la structure du
système de refroidissement. Elle eat réalisée à partir d'un circuit
3o imprimé stratifié cuivre nickelé sur aluminium. Sur l'aluminium est
laminé un sandwich constitué d'une couche de fibre de verre
préimprégnée à la résine conductrice: thermique, et d'une couche de
cuivre figurant le circuit électrique 272 désiré.
Le circuit électrique est réparti en deux zones:
35 Une première zone où est implanté le dispositif
d'alimentation et de régulation, une deuxième zone figurant le circuit
thermoélectrique.
Le circuit d'alimentation et de régulation est réalisé à partir
de composants à montage de surface, implantés dans la première zone.
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II est constitué d'un simple redresseur à diode , d'un condensateur 274
et d'un relais multiple 275 commandé par le thermostat intégré 276.
Les barrettes thermocouples 277 sont soudées au bismuth
étain et implantées dans la zone du circuit thermoélectrique, selon un
s schéma série-parallèle. Le procédé de montage est conforme aux
standards des composant CMS.
Une couche en mousse isolante thermique adhérente 278
remplit tout le volume résiduel entre les composants, sur une hauteur de
l'ordre de L.
lo Enfin, une mosaïque de dissipateurs thermiques 279 vient
couvrir la zone des barrettes thermocouples, chaque dissipateur muni
d'un circuit statifié cuivre étain est soudé sur entre 2 et 4 barrettes, et
par exemple consolidé en son centre par un rivet inox.
Ces dissipateurs 279 sont par exemple réalisés en
15 aluminium extrudé.
Selon un mode de réalisation non exclusif de l'invention, un
ventilateur 701 en option réalise une dissipation forcée dans un tunnel
702 autour des paies des dissipateurs. Ce ventilateur est déclenché en
parallèle avec les thermocouples, sous la consigne du thermostat.
2o Associé au tunnel de ventilation et au ventilateur) deux clapets 703
obturent sous l'effet de leur masse les entrées et sorties du tunnel, afin
de réduire au maximum d'effet des pertes d'isolation quand le relais est
ouvert, conséquence de la conductivité thermique des cellules. Ces
clapets s'ouvrent dès mise en route du ventilateur et des
2s thermocouples.
Une paroi isolante 702 et 278 contribue à renforcer
l'isolation, notamment autour du tunnel de ventilation.
Un tel procédé est utilisable pour les mini-réfrigérateurs,
3o pour des mini-climatisations, pour des systèmes de refroidissement de
liquides industriels ou alimentaires, (dans ce cas particulier, la paroi
froide 271 est en contact avec un échangeur à circulation de fluide),
pour des étals de boucherie, etc.
Ce dispositif optimise l'encombrement et l'efficacité du
3s refroidissement) ainsi que l'isolation. En effet: i! présente une grande
surface d'échange pour la face froide, donc elle autorise un échange
uniquement convectif sans ventilateur et sans encombrement, elle
concentre modérément le flux sur la face chaude, et il est possible de
conditionner au fonctionnement des thermocouples l'échange thermique
4o avec l'extérieur par ventilation forcée.
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1 S
De plus, le circuit d'alimentation est implanté dans une
surface perdue pour le refroidissement sans surcoüt.
Pour une application de ce type on préférera des modules
carrés d'environ 10x10 mm2 constitués de barrettes accolées, chacun
s pompant environ 1 watt sur une surface de 10 cm2.
Selon l'invention, nous clécrivons figure 20 un exemple de
dispositif de microgénérateur électrique) un maillon de bracelet:
Le collecteur de chaleur est réalisé en stratifié cuivre
aluminium 281 dont le cuivre 282 est nickelé ou en circuit imprimé.
o Le dissipateur est réalisé en stratifié cuivre aluminium 283
dont le cuivre 284 est nickelé. CE: dissipateur représente la face
supérieure du bracelet et comporte de~ petites ailettes 285.
De part et d'autre du maillon, ainsi que sur la zone centrale
des barrettes d'environ 10 mm de longueur sont brasées entre le
1s collecteur et le dissipateur. A chaque extrémité du maillon, un pivot
nickelé 287 est brasé sur la face interne du dissipateur, ou bien sur la
face interne du collecteur, il assure fa continuité électrique de maillon en
maillon grâce à un axe conducteur.
Un rivet ou une vis inox contribue à consolider le maillon
2o en exerçant une pression sur la brasure.
Une mousse (non représentée) assure à la protection et la
propreté du maillon, ainsi que l'isolation entre les deux faces.
Au poignet, la différence de température entre fe collecteur
et le dissipateur induit un flux thermique converti en force électromotrice
2s collectée entre les pivots.
Avec environ 20 paires N P par maillon, et une différence
de température de l'ordre de 10°C entre les faces, chaque maillon d'une
surface de 2 cm2 génère une différence de potentiel de l'ordre de 20
mV, sous une impédance de 2.4 ohm) soit environ 40 microwatts
3o maximum délivrés.
Ceci constitue un exemple non exclusif de mise en oeuvre
de thermogénérateur optimisé. La ten.~ion de sortie est proportionnelle à
ta différence de température entre les faces collectrices et dissipatrices
et au nombre de couples N P, et par ailleurs, la puissance électrique
3s délivrée est maximum quand la résistance thermique des barreaux est
équivalente à celle du dissipateur, la section totale de matière
thermoélectrique autorisée est donc figée. La tension maximum est
obtenue pour des barreaux dont le rapport HIL2 est maximum.
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A faible section et grande longueur les barreaux sont
fragiles, et le renfort par des membranes contribue à rendre possible
l'optimisation du facteur HILZ.
5 Ces deux mises en oeuvre de modules élémentaires en
barrette sont non limitatives et les exemples donnés mettent en valeur
leur simplicité.
Selon l'invention, nous décrivons un procédé de réalisation
1o de module barrette.
Chaque barrette contient une alternance de matériaux
thermoélectriques dopés P et N. Ces matériaux font l'objet d'une
croissance cristalline et présentent un axe d'anisotropie A figure 13 de
la conductivité thermique et du facteur de mérite.
~s Selon l'invention) les lingots N et P de départ sont
rectangulaires, allongés selon l'axe anisotrope.
Les lingots sont alors découpés selon des tranches
parallèles contenant l'axe anisotrope, d'épaisseur proche de L. Une telle
découpe est par exemple réalisée à la scie multifils ou bien à la scie à
2o disque.
Les tranches 291 ) 292 figure 21 sont alors alternées P et N
en conservant les axes parallèles, superposées, en intercalant en
chaque tranche une membrane thermocofiable 293 de faible épaisseur.
Cette membrane est par exemple un Kapton de 25 microns comportant
de part et d'autre 25 microns de résine époxy, ou bien un verre époxy.
Le lingot reconstitué est donc un composite constitué d'une
alternance de tranches N P isolées électriquement.
Une première cuisson assure une polymérisation partielle,
sous pression, à température proche de 130°C.
3o Après traitement, le nouveau lingot est alors redécoupé en
tranches d'épaisseur L environ, selon des plans contenant l'axe
d'anisotropie et perpendiculaires au tranches précédentes.
Chaque tranche 2101 figure 22 contenant des tiges
rectangulaires de section L2 alternativement de matière N et P est alors
couverte de part et d'autre par deux membranes en kapton 2102, 2103
préencollées sur une face seulement. Les tranches sont alors
superposées et le lingot reconstitué. On réalise ainsi des barrettes, car
les tranches ne sont pas collées entre elles. II est également possible
de couvrir les tranches de verre époxy, et de les séparer par une
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membrane de démoulage en pacothane. Cette dernière autorisera la
séparation des barrettes.
Enfin, pour réaliser des rnodules blocs, on intercalera entre
les tranches une seule membrane en kapton préencollée sur les deux
s faces ou une membrane en verre époxy. On prendra soin d'alterner les
barreaux N et P pour réaliser une répartition en damier.
Un cycle de cuisson sous pression achève la
polymérisation des tranches.
Le lingot est alors découpé selon le plan perpendiculaire à
lo l'axe d'anisotropie selon des tranches d'une épaisseur H, 2111, 2112,
figure 23, chaque tranche laissant apparaître les sections des barreaux.
Chaque tranche contient les barrettes élémentaires N P, les
barrettes sont juxtaposées et sont liées par l'adhérence résiduelle. Un
cisaillement les désolidarise.
~s Les modules restent en bloc.
La tranche présente' les sections vives des
thermoéléments, celle-ci est protégée par un dépôt de nickel soit
électrolytique soit chimique, dans un tain. Le nickel agit comme barrière
de diffusion et interface d'accrochage pour la brasure.
2o Plusieurs alternatives apparaissent:
- La couche de nickel déposée est de forte épaisseur)
environ 0,1 mm et elle assure un recouvrement continu de la tranche,
avec accrochage robuste sur les barreaux. Alors, par découpe ou
attaque chimique sélective, il est possible de réaliser les liaisons entre
2s fes barreaux directement, puis de séparer les barrettes munies de leur
propre circuit électrique. Un flash par sputering contribue à déclencher
l'accrochage préalablement au dépôt chimique. La barrette est destinée
à étre collée à la colle thermique.
- La couche de nickel est de faible épaisseur. La tranche
3o est nickelée sur la section des barreaux exclusivement. Alors on vient
braser sous presse à chaud un circuit souple en cuivre préétamé au
bismuth étain 2121, figure 24 sur une membrane en verre époxy chargé
au nitrure de bore. Une phase de pressage à température de brasure de
la tranche soude les jonctions. Le circuit aura été préalablement gravé
3s par sérigraphie sur le cuivre lié à une lfeuille adhésive transparente 2122
en verre époxy chargé. Chaque barrette réalisée par ce procédé
comporte deux languettes soudables les barrettes sont séparées par
découpe de la membrane verre époxy chargé.
- La couche de nickel eat fine, la barrette est destinée à
4o être soudée sur un circuit imprimé qui assure les jonctions inter-
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éléments. Le circuit imprimé est en cuivre nickelé et étamé au bismuth.
Un stratifié cuivre nickelé aluminium constitue la meilleur alternative
technique.
s II a été décrit un module thermoélectrique sous la forme
d'une barrette multiéléments) des versions d'assemblage de cette
barrette soit par collage, soit par brasure, l'intégration de cette barrette
dans un circuit électrique et thermique, deux exemples de mise en
oeuvre de tels éléments pour un dispositif de réfrigération et pour un
Io microgénérateur, et enfin, un procédé de réalisation de telles barrettes
minimisant les opérations de découpe et de manipulation.
Un assemblage de barrettes constitue un bloc dont les
applications sont similaires.
La barrette présente comme annoncé
15 - une optimisation de l'impédance électrique, conséquence
de l'optimisation de HILz et du nombre de barreaux.
- une optimisation de l'impédance thermique: La barrette
comporte une conductivité thermique élémentaire, l'association très
simple des barrettes en série électriquement et en parallèle
2o thermiquement permet l'adaptation de la résistance thermique des
barrettes à celte des drains et dissipateur thermiques préexistant
associés.
- une résistance mécanique améliorée par le fait de la
structure composite.
2s - une résistance à la corrosion améliorée par le fait que
chaque élément est totalement enrobé soit de résine, soit de nickel.
- une simplification de l'assemblage, par la mise en oeuvre
de techniques similaires à celles utilisées en CMS.
Le procédé de réalisation est optimisé en terme de coût
3o par le fait qu'il supprime les éléments suivant:
- découpe individuelle des barreaux
- manipulation des barreaux individuels
- brasure sur support céramique
L'assemblage est moins coûteux, car il se limite à un
35 collage à chaud ou bien à une brasure sur circuit imprimé à support
dissipatif.
