FABRICATION DU DISPOSITIF»

La présente invention concerne un dispositif thermoélecfrique et d'isolation thermique utilisable dans une paroi d'une nacelle de moteur d'aéronef, une telle nacelle incorporant ce dispositif et un procédé de fabrication de ce dernier. L'invention s'applique d'une manière générale à une structure thermlquement isolante capable de générer de félectncité, notamment maïs pas exclusivement pour un environnement moteur comme par exempte pour la protection thermique d'une paroi de structure inférieure fixe d'aéronef (« inner fixed structure » en anglais ou « IFS » en abrégé).

De manière connue, la génération d'électricité par effet thermoélectrique (Le. qui transforme une différence de température en courant électrique) requiert la présence d'un module thermoéiectrique comprenant des couples semi-conducteurs qui sont connectés électriquement usuellement par des feuilles métalliques (ou en variante par des plaques, blocs ou autres formes de connexions} et qui sont chacun constitués de deux blocs semi-conducteurs respectivement de type p et n. Les deux blocs p et n de chaque couple et les autres couples composant le module sont connectés électriquement en série et thermlquement en parallèle. De plus, ces couples de blocs semi-conducteurs connectés par ces feuilles métalliques sont montés entre et au contact de deux substrats rigides (typiquement en matériau céramique), l'ensemble formant le module thermoélectrique.

Le document US-B2-7 785 811 présente une structure thermlquement Isolante entourant un conduit de fluide et intégrant de tels modules thermoélectriques répartis autour de la circonférence du conduit. Chaque module comprend une succession de blocs semi-conducteurs p et n répartis et connectés électriquement entre eux dans ia direction axiale du conduit par des feuilles métalliques. Chaque module s'étend ainsi dans la direction axiale et est relié à la face externe du conduit par des plaques rigides de céramique en contact avec un dissipateur de chaleur radialement interne qui est constitué d'une tresse métallique de section transversale polygonale recouverte sur sa face interne d'un matériau mou thermiquement conducteur en contact avec le conduit,

Un inconvénient majeur du dispositif annulaire à modules thermoélectriques axiaux divulgué par ce document réside dans l'utilisation de ces plaques indéformables en céramique, qui reçoivent chacune la succession axiale des blocs semi-conducteurs et qui sont montées sur les côtés de ce dissipateur polygonal combiné à ce matériau mou conducteur pour épouser la surface cylindrique du conduit.

Un autre inconvénient de ce dispositif annulaire réside dans le nombre élevé de modules thermoélectriques axiau requis, et donc dans le coût de fabrication relativement élevé du dispositif pour l'obtention d'un effet thermoélectrique donné.

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif thermoélectrique et d'isolation thermique utilisable dans une paroi globalement tubuiaire d'une nacelle de moteur d'aéronef qui remédie à ces inconvénients, te dispositif étant apte à présenter une section transversale au moins en partie annulaire délimitée par une face chaude tournée vers l'intérieur de la nacelle et par une face froide opposée à la face chaude et tournée vers l'extérieur de la nacelle, le dispositif comprenant :

une structure thermiquement isolante et flexible localisée entre ladite face chaude et ladite face froide et apte â s ^' étendre dans une direction circonférentielle de ladite section transversale, et

au moins un module thermoélectrique qui est intégré à ladite structure et qui comprend :

* des blocs semi-conducteurs p et n alternés, et

* des moyens de connexion électrique qui connectent électriquement lesdits blocs p et n deux à deux entre eux,

A cet effet, un dispositif de l'invention comprend une pluralité de moyens de dissipation de chaleur thermiquement conducteurs couplés aux blocs et reliant les moyens de connexion électrique, qui sont aptes à être déformés pour s'étendre dans la direction circonférentielie, à la face chaude et à ia face froide.

On notera que la structure thermiquement isolante engendre un gradient de température entre la face interne chaude et la face externe froide du dispositif, et que le(s) moduie(s) thermoélectrique(s) directement intégré(s) à la structure utilisent le gradient dû à cette isolation thermique pour générer de l'électricité.

On notera également que la structure isolante est souple de sotte à être déformante dans des directions multiples incluant avantageusement fa direction circonférentielie (ainsi que d'autres directions) autour de Sa paroi de nacelle, et que l'intégration des blocs semi-conducteurs p et n répartis dans cette direction ne pénalise pas la flexibilité du dispositif tout en étant relativement simple à obtenir en comparaison du dispositif présenté dans le document précité.

Selo une autre caractéristique de l'invention, ladite pluralité de moyens de dissipation de chaleur peuvent être superposés de manière espacée sur et sous lesdits blocs semi-conducteurs, lesquels sont alors aptes à être répartis dans la direction circonférentielie pour former ledit au moins un module qui est au moins en partie annulaire d ^' ans ladite section transversale.

On notera que cette géométrie globalement annulaire du o de chaque module thermoéiectrique selon l'invention à blocs p et n circonférentieiiement espacés dans la paroi de ia nacelle se différencie de ia géométrie axiale de chacun des modules thermoélectriques utilisés dans le document précité.

Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, lesdits moyens de dissipation de chaleur peuvent comprendre :

- une première série de dissipateurs thermiques régulièrement espacés qui reçoivent une première série desdits moyens de connexion électrique et qui sont montés entre et au contact de premières faces respectives desdits biocs semi-conducteurs et de ladite face chaude, et

~ une seconde série de dissipateurs thermiques qui sont régulièrement espacés en regard des dissipateurs de ladite première série, qui reçoivent une seconde série desdits moyens de connexion électrique et qui sont montés entre et au contact de secondes faces respectives desdits biocs et contre ladite face froide.

Avantageusement, ladite première série de dissipateurs peut être formée de premiers plots présentant chacun une première surface de contact avec un dit bloc semi-conducteur d'aire sensiblement égaie à celle d'une dite première face dudit bloc, et ladite seconde série de dissipateurs peut être formée de seconds plots présentant chacun une seconde surface de contact avec un dit bloc d'aire sensiblement égaie à celle d'une dite seconde face dudit bloc.

Encore plus avantageusement, lesdits premiers plots et/ou seconds plots peuvent être polyédriques (par exemple sensiblement en forme de prisme droit à base rectangulaire, carrée ou bien trapézoïdale évasée en s'éîoignant desdits biocs semi-conducîeurs, étant précisé que d'autres formes par exemple cylindriques sont utilisables), et lesdits blocs peuvent être polyédriques sensibtement en forme de prisme droit à base rectangulaire ou carrée,

Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, ladite première série de moyens de connexion électrique et ladite seconde série de moyens de connexion électrique peuvent être formés de fiis, de câbles, de films, de feuilles ou de rubans (par exemple appliqués en alternance dessus lesdites premières faces et dessous iesdites secondes faces desdits blocs semi-conducteurs) qui peuvent comprendre chacun :

- une âme métallique et une enveloppe d'enrobage électriquement et thermiquernent isolante, et

- deux extrémités respectivement logées dans deux dits dissipateurs thermiques.

On notera que ces fils, câbles, films, feuilles ou rubans unitaires qui peuvent ainsi former à eux seuls les moyens de connexion électrique selon l'invention présentent avantageusement une structure pleine {Le. compacte, non ajourée) et non extensible ni rétractable. En variante, on peut également utiliser des moyens de connexidn électrique extensibles et rétractables, tels que des ressorts ou des fils souples, par exemple.

De préférence, ladite enveloppe d'enrobage est de type monocouche ou multîcouche, pouvant comprendre dans ce dernier cas au moins une couche organique à base d'un polymère ihermopiasiique renforcé et au moins une couche inorganique opîionnellemeni renforcée par des fibres de verre.

Avantageusement, lesdiis dissipateurs thermiques, par exempte en aluminium, peuvent être chacun solidaires d'un dit bloc semi- conducteur en une interface adhérente de préférence obtenue par chauffage, collage, soudage, brasage ou métaiiisation (e.g. par un procédé d'éfectrodéposition, de dépôt physique ou chimique en phase vapeur). En d'autres termes, ors peut réaliser cette adhésion par tous moyens connus utilisés dans l'industrie.

Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite structure thermiquement isolante et flexible peut comprendre au moins deux matelas superposés qui sont constitués de matériaux thermiquement isolants par exemple à base d'une silice microporeuse et qui comprennent des premières perforations recevant lesdits blocs semi-conducteurs et des secondes perforations recevant lesdits moyens de dissipation de chaleur, lesdits moyens de connexion électrique pouvant être agencés hors desdits matelas, de telle sorte que des empilements espacés desdiis blocs et desdits moyens de dissipation de chaleur soient formés au sein de ladite structure.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre une première enveloppe métallique flexible définissant ladite face chaude et une seconde enveloppe métallique flexible définissant ladite face froide, le dispositif étant avantageusement dépourvu de tout substrat rigide par exemple en céramique dessus et dessous lesdits moyens de connexion électrique,

On notera que l'intégration selon l'invention àudû au moins un module thermoélectrique dans la structure thermiquement isolante est directe et simple à mettre en œuvre via {'utilisation de ces enveloppes métalliques qui ne pénalise pas la flexibilité de l'ensemble du dispositif, notamment du fait que l'on se passe des substrats rigides requis dans le document précité.

Une nacelle de moteur d'aéronef selon l'invention, Sa nacelle comportant une paroi globalement tubuiaire définie par une face radialement interne et une face radialement externe, est telle que la paroi incorpore à distance des faces interne et externe un dispositif ther oéiectrique et d'isolation thermique tel que défini ci-dessus et dont ladite section transversale est au moins en partie annulaire, la face chaude du dispositif étant de préférence située à proximité immédiate de l face interne de Sa paroi.

On noiera que ce dispositif est avantageusement incorporé dans ladite paroi axia!ement vers l'arriéra de la turbine du moteur, par exemple, bien que d'autres zones soient utilisables.

Un procédé de fabrication selon l'invention d'un dispositif tel que défini ci-dessus comprend essentiellement les étapes suivantes ;

a) guidage, dans des perforations et/ou espaces libres ménagés dans une première partie de la structure thermiquement isolante et flexible déposée dans un guide comportant une pluralité de cloisons, de chacun desdits blocs semi-conducteurs, d'une premsère série des moyens de connexion électrique et d'un première série des moyens de dissipation de chaleur, pour obtenir une première partie du dispositif dans lequel chacun desdits blocs est superposé sur chacun des moyens de dissipation de chaleur de ladite première série entre une paire de dites cloisons adjacentes,

b) retrait dudit guide,

c) dépôt sur ladite première partie du dispositif d'une seconde partie de la structure thermiquement isolante et flexible, d'une seconde série des moyens de connexion électrique et d'une seconde série des moyens de dissipation de chaleur, pour obtenir ladite structure dans laquelle chacun des moyens de dissipation de chaleur de la seconde série est superposé sur chacun desdits blocs de sorte à obtenir des empilements espacés desdits blocs et desdits moyens de dissipatio de chaleur au sein de la structure, puis

d) assemblage d'une première enveloppe métallique flexible définissant ladite face chaude sur la première série des moyens de connexion électrique et sur la première série des moyens de dissipation de chaleur, et d'une seconde enveloppe métallique flexible définissant ladite face froide sur la seconde série des moyens de connexion électrique et sur la seconde série des moyens de dissipation de chaleur, pour obtenir le dispositif.

Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, les moyens de connexion électrique de ladite première série et de ladite seconde série présentent des extrémités respectivement insérées dans les moyens de dissipation de chaleur de ladite première série et de ladite seconde série, chacune de ces extrémités étant solidarisée avec un dit moyen de dissipation de chaleur correspondant de préférence par chauffage, collage ou brasage.

Avantageusement, l'on peut utiliser :

- pour ladite première partie de ladite structure à l'étape a), au moins un premier matelas thermiquement isolant, et

- pour ladite seconde partie de ladite structure à l'étape c), au moins un second matelas thermique ment isolant,

ledit au moins un premier matelas et ledit au moins un second matelas étant par exemple chacun à hase d'une silice microporeuse et pouvant comprendre des premières perforations recevant lesdits blocs semiconducteurs et des secondes perforations recevant lesdits moyens de dissipation de chaleur, lesdits moyens de connexion électrique pouvant être agencés hors dudit au moins un premier matelas et hors dudit second matelas.

Encore plus avantageusement, l'on peut utiliser pour ladite première partie de ladite structure à l'étape a) deux premiers matelas thermiquement Isolants superposés, de telle sorte que ladite structure comprend trois matelas thermiquement Isolants superposés et séparés par lesdits empilements espacés.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé comprend en outre une étape d déformation dudit dispositif pour lui conférer une section transversale pouvant être annulaire (totalement ou en partie) ou d'une géométrie autre. Cette étape de déformation ou mise en forme peut être mise en uvre avant l'assemblage ou bien avant l'étape de jonction desdites faces chaude et froide. Les caractéristiques précitées de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux comprises à la lecture de te description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre lilustratif et non limitatif en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un exempte de moteur d ^' aéronef montrant remplacement de la nacelle de ce moteur incorporant un dispositif selon l'invention,

la figure 1a est un médaillon en coupe axiale montrant un détail de la nacelle de la figure 1 incorporant ce dispositif,

la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'un exemple de dispositif selon l'invention avant sa déformation, montrant les blocs semi-conducteurs d'un module et les dissipateurs thermiques dont ils sont pourvus,

la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention tel que celui de la figure 2 tors de sa déformation en vue de lui conférer une section transversale annulaire ou autre,

la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'un guide utilisable pour former un empilement selon un exemple de l'invention d'un bloc semi-conducteur et de deux dissipateurs thermiques au sein d'une structure thermiquement isolante,

la figure 4A est une vue schématique en coupe transversale d'un autre guide utilisable pour former plusieurs empilements tels que celui de la figure 4 au sein de la structure Ihermiquement isolante,

la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale d'un guide analogue à celui de la figure 4 montrant Se résultat selon un exemple de l'invention d'une première étape d'assemblage d'un bloc semiconducteur et d'un premier dissipateur thermique au sein d'une première partie de la structure,

la figure 6 est une vue de dessus du guide de la figure 5, la figure 7 est une vue schématique partielle en coupe transversale montrant l'assemblage de la figure 5 après retrait du guide,

la figure 8 est une vue schématique partielle en coupe transversale montrant le résultat d ^' une seconde étape d'assemblage d'un second dissipateur thermique sur cette première partie de la structure,

la figure 9 est une vue schématique partielte en coupe transversale d'un mode préférentiel de réalisation de l'invention correspondant à une variante de celui des figures 2 à 8 et montrant ies moyens de connexion électrique couplés à trois blocs semi-conducteurs au sein d'une structure thermiquement isolante, et

la figure 10 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'un agrandissement d'une zone centrale de la figure 9 détaillant un exemple de fixation selon l'invention des moyens de connexion aux premier et second dissipateurs thermiques, en relation avec l'un de ces blocs thermoêîectriques.

Comme illustré à la figure 1 , un dispositif thermoélectrique et d'isolation thermique 1 selon l'invention est avantageusement destiné à équiper un moteur 10 d'aéronef, en étant logé dans une partie de la paroi 11 globalement tubulaire d'une nacelle 12 du moteur 10, lequel peut comprendre de manière connue :

une partie froide successivement définie par un tronçon d'entrée d'air 13 et un étage de compression 14, et

une partie chaude successivement définie par un étage de combustion 15 à chambres de combustion, une turbine 16 et un tronçon final d'échappement 17.

La paroi 11 de la nacelle 12 incorporant le dispositif 1 est localisée en arrière de la turbine 18, en une zone dans cet exemple tronconique qui est située axialement entre celle-ci et te tronçon l'échappement 17, et cette paroi 11 qui forme le carénage de la nacelle 12 est cloisonnée dans l'exemple de la figure 1 . Le dispositif 1 s'étend ainsi suivant une géométrie globalement tubulaire (i.e. annulaire en section transversale) entre ies faces radialement interne 1 a et externe 11 b de la paroi 11 (comme visible à la figure 1a, ce dispositif 1 s'étend à proximité immédiate de cette face interne 11a), Ces faces interne 11a et externe 11b peuvent présenter en fonctionnement un gradient de température Tçr ^' ! de plus de 500° C (avec par exemple des températures maximales Te de 500° C et minimales TF de -75 °C respectivement à l'intérieur et à l'extérieur du dispositif 1 , les températures maximales T _F et minimales T _C usuellement rencontrées en fonctionnement étant respectivement de l'ordre de 385 ° C et 100° C).

Comme illustré aux figures 2 et 3, le dispositif 1 comprend essentiellement une structure flexible thermique enî isolante 2 de protection thermique par exemple à base de trois matelas inorganiques superposés 2 a, 2b, 2c (e.g. réalisés en un matériau microporeux par exemple à base de silice coulé dans un moule), au sein de laquelle structure 2 sont intégrés des blocs semi-conducteurs 3 de type n et p reliés électriquement en série par des connectiques métalliques 4a et 4b (présentant par exemple une âme en cuivre, comme cela sera détaillé ci-après en relation avec les figures Ô et 10) pour former un module thermoéiectrique 5. Les connectiques 4a et 4b sont reliées tout comme les blocs 3 aux faces chaude 6a et froide 6b du dispositif 1 par l'intermédiaire de deux séries respectives de dissipateurs thermiques 7a et 7b (lesquels sont par exemple en aluminium).

Des tôies flexibles 6a et 6b par exempte en acier, qui forment respectivement en fonctionnement ces faces chaude (interne) et froide (externe) du dispositif 1 entre les faces interne 11a et externe 11 b de la paroi 11 , sont appliquées de part et d'autre de la structure 2, On notera que les tôles 6a et 6b sont souples et aisément déformabies, contrairement aux substrats rigides en céramique utilisés dans l'art antérieur, ce qui fait que l'ensemble du dispositif 1 reste flexible comme visible à la figure 3 pour suivre le contour annulaire de la paroi 11 de la nacelle 12.

On peut procéder à l'assemblage d'un dispositif 1 selon l'invention par exemple comme illustré aux figures 4 à 8, en utilisant un guide 30, 30 ^* comprenant des parois de bords 31 et 32 et des cloisons 33 et 34 qui sont régulièrement espacées entre les parois 31 et 32 et qui présentent successivement différentes hauteurs alternées pour permettr un bon positionnement des blocs semi-conducteurs 3 et leur connexion étectrique par les pistes métalliques formant les connectiques 4a et 4b (avec dans l'exemple des figures 4 eî 4A des cloisons hautes 33 de hauteur maximale qui sont égales à celle commune aux parois de bords 31 , 32 et aux deux premiers matelas 2a et 2b superposés, et des cloisons basses 34 de hauteur réduite de moitié qui correspond à celle du premie matelas 2a),

Le guide 30 de la figure 4 présente un unique motif représentatif d'un seul bloc 3 à assembler en relation avec les connectiques 4a et 4b et les dissipateurs 7a et 7b, alors que le guide complet 30' de la figure 4Â témoigne de l'outillage plus complexe à utiliser pour assembler une multitude de blocs 3 chacun pourvus des connectiques 4a et 4b et des dissipateurs 7a et 7b au sein de fa structure isolante 2.

Comme visible à la figure 5, on positionne dans une première étape d'assemblage chaque bloc semi-conducteur 3 dans un espace libre ménagé au sain des premier et second matelas empilés 2a et 2b, entre une cloison haute 33 et une cloison basse 34 et sur un premier dissipateur thermique inférieur 7a avec lequel le bloc 3 est solidarisé (par brasage dans cet exemple, voir la brasure 3a) de part et d'autre d'une première connectique inférieure 4a insérée entre les matelas 2a et 2b. A cet effet, les matelas 2a et 25 sont préalablement percés de perforations 2d recevant les blocs 3 et de perforations 2e recevant tes dissipateurs 7a dont ils sont pourvus.

Chaque connectique 4a est ainsi fixée sur la face supérieure du dissipateur 7a et sous la face inférieure du bloc 3. Le dissipateur 7a présente une forme polyédrique qui est avantageusement prismatique de base rectangulaire ou carrée (i.e. parallélépipédique ou cubique).

On retire ensuite le guide 30 pour obtenir l'assemblage visible à la figure 7, dans lequel des empilements Intermédiaires 7a, 4a, 3 sont formés au sein des deux matelas 2a et 2b.

On notera que ce qui vient d ^! êîre exposé en relation avec les figures 4, 4A, 5, 6 et 7 ne constitue qu'un exemple de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention, et qu'il est en variante possible de procéder à l'assemblage sans guide ou bien avec un guide restant en place suite à l'assemblage, à condition que ce dernier guide présente une conductivité thermique identique ou similaire à celle du matelas isolant correspondant.

Comme visible à la figure 8 qui montre le résultat d'une étape ultérieure d'assemblage, on met en place, dans un espace libre ménagé dans le troisième matelas 2c déposé sur les matelas 2a et 2b, une seconde connectique supérieure 4b sur Sa face supérieure de chaque bloc 3 et sous la face inférieure d'un second dissipateur thermique supérieur 7b (lequel est dans cet exempl solidarisé par brasage avec le bloc 3 de part et d'autre de la connectique 4b, voir à nouveau la brasure 3a), de sorte à relier thermiquement par conduction chaque bloc 3 aux tôles 6a et 8b via les dissipateurs 7a et 7b. A cet effet, le matelas 2c est préalablement percé de perforations 2e recevant les dissipateurs 7b.

Dans l'exemple de la figure 8, le second dissipateur supérieur 7b présente une forme prismatique de base trapézoïdale évasée (trapèze isocèle) vers la tôle 6b, étant précisé que ce dissipateur 7b pourrait en variante être Identique au dissipateur 7a.

Après déformation par exemple annulaire du dispositif 1 ainsi obtenu et intégration de ce dernier à la paroi annulaire 11 de la nacelle 12, on obtient comme Illustré partiellement à la figure 3 des empilements radiaux S respectivement formés des biocs semi-conducteurs 3 qui sont munis des dissipateurs 7a et 7b et qui sont connectés deux à deux entre eux par les premières et secondes connectiques 4a et 4b en étant séparés entre eux par les trois matelas 2a, 2b, 2c.

Le dispositif 1 selon le mode préférentiel de réalisation des figures S et 10 se distingue essentiellement de celui qui vient d'être décrit en référence aux figures 4 à 8, en ce que les premières connectiques inférieures 4a et les secondes connectiques supérieures 4b ont leurs extrémités métalliques respectives 8a insérées dans tes dissipateurs 7a, 7b adjacents, à distance des faces inférieures et supérieures des blocs 3. Ces derniers sont par exemple solidarisés par chauffage et non par brasage avec les dissipateurs Inférieurs 7a et supérieurs 7b, à un température inférieure ou égale à 250° C (alors que pour le brasage la température requise doit être d'au moins 500 X). D'une manière générale, on peut solidariser les blocs 3 par une technique d'adhésion qui requiert une température d cuisson inférieure à 300° C et qui permet d'obtenir un assemblage résistant jusqu'à 500 ^e C, voire jusqu'à 550 ^e ' C,

Comme visible à fa figure 10, les connectiques 4a et 4b selon ce mode préférentiel de réalisation comprennent chacune une âme métallique 9b par exemple en cuivre (chaque extrémité 9a de connectique 4a, 4b qui est logée dans un dissipateur 7a, 7b étant constituée de cette âme 9b) et une enveloppe d'enrobage monocouche ou multicouche 9c qui est électriquement et thermiquement isolante. L'enveloppe 9b peut comprendre, si elle est multicouche, une couche organique à base d'un polymère thermoplastique renforcé, une couche inorganique et optionnellement une couche de fibres de verre, à titre non limitatif.