[1]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.

[2]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.

[3]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.

[4]Cependant, les substrats céramiques doivent avoir des propriétés électriques isolantes et thermiques conductrices. Un exemple d’une telle céramique est le nitrure d’aluminium (AIN) mais ces céramiques sont très coûteuses.

[5]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 et faciliter leur procédé de fabrication notamment pour une utilisation dans un échangeur thermique.

[6]A cet effet, la présente invention concerne un module thermoélectrique comprenant :

- une première et une deuxième couches supports en matériau polymère notamment en matériau thermoplastique (alternativement des thermodurcissables ou élastomères peuvent également être utilisés),

- 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 sont configures pour relier en sene l’ensemble de plots thermoélectriques avec une alternance de plots de type P et de type N, caractérisé en ce que la première et la deuxième couches supports comprennent une pluralité de trous reliant une première face à une deuxième face desdites première et 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.

[7]L’ utilisation de vias traversants et d’une couche de matériau conducteur thermiquement au niveau des vias permet d’assurer une conduction thermique entre les deux faces des couches supports en matériau polymère dont le coût est réduit permet d’obtenir un module thermoélectrique ayant un coût réduit par rapport aux solutions de l’état de la technique.

[8]Selon un autre aspect de la présente invention, les première et deuxième couches supports sont réalisées en résine époxy et correspondent par exemple à des plaquettes utilisées pour les circuits imprimés.

[9] Selon un autre aspect de la présente invention, une couche de matériau conducteur thermiquement est disposée autour des trous sur les première et deuxième couches supports. L’étalement de la couche de matériau conducteur thermiquement autour des trous permet d’améliorer la conduction thermique avec les autres éléments en contact avec les couches supports.

[10] Selon un autre aspect de la présente invention, la couche de matériau conducteur thermiquement est distante des pistes métalliques conductrices afin d’éviter les court-circuits avec les pistes métalliques.

[1 l]Selon un autre aspect de la présente invention, le matériau conducteur des vias est du cuivre.

[12]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.

[13]L’utilisation des patins permet d’améliorer encore la conduction thermique entre les deux faces des couches supports.

[14]Selon un autre aspect de la présente invention, le module thermoélectrique comprend également une semelle en matériau conducteur thermiquement et configurée pour venir en contact les patins et la couche support associée. L’utilisation d’une semelle permet d’améliorer le transfert de chaleur vers l’extérieur du module thermoélectrique.

[15]Selon un autre aspect de la présente invention, la semelle vient de matière avec

5 les patins.

[16]Selon un autre aspect de la présente invention, les patins ou l’ensemble comprenant les patins et la semelle sont réalisés en aluminium.

[17]La présente invention concerne également un échangeur thermique comprenant :

- un module thermoélectrique tel que décrit précédemment, 0 - un premier conduit en contact avec la première couche support ou avec une semelle associée la première couche support du module thermoélectrique et configuré pour recevoir un premier fluide caloporteur,

- un deuxième conduit en contact avec la deuxième couche support ou avec une semelle associée à la deuxième couche support du module thermoélectrique et5 configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur.

[18]Selon un autre aspect de la présente invention, le premier conduit est formé par un tube configuré pour recevoir un liquide de refroidissement.

[19] Selon un autre aspect de la présente invention, des ailettes métalliques sont fixées sur la deuxième couche support ou sur la semelle associée à la deuxième0 couche support et un capot est configuré pour venir se fixer sur le module thermoélectrique pour former le deuxième conduit, ledit deuxième conduit étant configuré pour recevoir un gaz, notamment de l’air.

[20] Selon un autre aspect de la présente invention, les ailettes métalliques sont soudées ou collées ou brasées sur la deuxième couche support ou sur la semelle5 associée à la deuxième couche support et le capot est clipsé ou collé ou soudé ou vissé sur le module thermoélectrique.

[21]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 : 0 [22][Fig 1] représente une vue schématique de côté d’une portion d’un module thermoélectrique ;

[23] [Fig 2] représente une vue schématique de côté d’une portion d’un module thermoélectrique comprenant un via ; [24] [Fig 3] représenté une vue schématique de côte d une portion d un module thermoélectrique comprenant des vias et un ensemble de patins et semelle ;

[25] [Fig. 4] représente une vue schématique de côté d’une portion d’un échangeur thermique ;

[26] [Fig. 5] représente un organigramme des étapes d’un procédé de fabrication d’un échangeur thermique;

[27] [Fig 6] représente une vue schématique de côté d’une portion d’un module thermoélectrique comprenant des vias selon un deuxième mode de réalisation ;

[28] [Fig 7] représente une vue schématique de côté d’une portion d’un module thermoélectrique comprenant des vias pleins selon une troisième mode de réalisation ;

[29] [Fig 8] représente une variante du module thermo électrique de la figure 6 ;

[30] [Fig 9] représente une variante du module thermo électrique de la figure 7 ;

[31]Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références.

[32]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.

[33]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.

[34]La présente invention concerne un module thermoélectrique. La figure 1 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 en matériau polymère, par exemple en thermoplastique, 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. [35]Les couches supports 3a, 3b sont par exemple réalisées en resine epoxy et notamment le matériau utilisé pour la fabrication des circuits imprimés. La résine époxy peut être chargée en particules minérales ou en fibres, notamment en fibres de verre. Un tel matériau a un coût de revient réduit. L’épaisseur des couches supports 3a, 3b est par exemple comprise entre 80pm et 2mm.

[36]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 couche 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.

[37]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 aux emplacements destinés à recevoir les plots thermoélectriques 7.

[38]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.

[39]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.

[40]Comme représenté sur la figure 2, le module thermoélectrique 1 comprend également 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 pm, par exemple quelques millimètres, 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 de trous traversants mais également autour des trous traversants 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 3 a, 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.

[41]Ainsi, l’utilisation de couches supports 3a, 3b en matériau polymère, de 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.

[42]La figure 3 représente un mode de réalisation particulier dans lequel le module thermoélectrique 1 comprend également des patins 13 en matériau conducteur thermiquement, par exemple en aluminium, configurés pour être positionnés dans les vias 9 afin d’améliorer encore le transfert thermique entre les deux faces des couches supports 3 a, 3b.

[43]Le module thermoélectrique 1 peut également comprendre une première et une deuxième semelles 15 en matériau conducteur thermiquement, par exemple en aluminium, configurées pour venir se positionner respectivement en contact avec les patins 13 et la face externe de la première et de la deuxième couches supports 3 a, 3b. Les semelles 15 peuvent venir de matière avec les patins 13 de la couche support 3a, 3b associée. Les semelles 15 peuvent comprendre des rebords 15a configurés pour être positionnés sur le pourtour des couches supports 3a, 3b. [44]Les patins 13 peuvent être montes en force dans les vias 9 ou peuvent être colles aux couches support 3a, 3b. Les semelles 15 peuvent également être collées sur les couches supports 3a, 3b respectives.

[45] 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.

[46]Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 6, la couche de matériau conducteur thermiquement 11 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 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 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 ou via une semelle 15 (voire des patins 13), une couche de vernis épargne 12 peut être déposée sur la face externe des couches supports 3a, 3b (voire à l’intérieur des vias) comme représenté sur la figure 8.

[47]Ce mode de réalisation est par ailleurs similaire au mode de réalisation précédent de sorte que des patins 13 et semelles 15 peuvent également être utilisés dans ce mode de réalisation.

[48]Selon une variante du deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 7, les trous traversants des couches supports 3a, 3b sont remplis de matériau conducteur thermiquement.il pour former des vias pleins 9’. 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 ou via la semelle 15, une couche de vernis épargne 12 peut être déposée sur la face externe des couches supports 3 a, 3b comme représenté sur la figure 9.

[49]Ce deuxième mode de réalisation permet d’améliorer le transfert de chaleur entre les deux faces des couches supports 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 3 a, 3b.

[50]La présente invention concerne également un échangeur thermique 20 comme représenté sur la figure 4. L’échangeur thermique 20 comprend au moins un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment, un premier conduit 21a en contact avec la première couche support 3a ou avec la semelle 15 associée à la première couche support 3a et un deuxième conduit 21b en contact avec la deuxième couche support 3b ou la semelle 15 associée à la deuxième couche support 3b du module thermoélectrique 1.

[51]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, qui peut venir de matière avec la semelle 15 associée à la première couche support 3a. Alternativement, le tube 22 peut être fixé sur la semelle 15, le tube 22 est par exemple soudé à la semelle 15.

[52]Le deuxième conduit 21b est par exemple formé par un capot 23 qui vient se fixer par verrouillage mécanique, par exemple par encliquetage sur le module thermoélectrique 1 ou sur le tube 22 du premier conduit 21a. Alternativement, le capot 23 peut être fixé par collage ou par soudage. Le capot 23 peut être un capot métallique ou en matériau polymère. Le deuxième conduit 21b est par exemple configuré pour recevoir un deuxième fluide caloporteur, notamment de l’air dont la température doit être ajustée de sorte que l’étanchéité totale du conduit 21b n’est pas nécessairement requise. Le deuxième conduit 21b peut comprendre des ailettes 25 de déviation du flux d’air afin de maximiser les échangés thermiques entre 1 air circulant dans le deuxieme conduit 21b et le module thermoélectrique 1. Les ailettes 25 peuvent être réalisées en métal, notamment en aluminium. Les ailettes 25 peuvent être fixées sur la face externe de la deuxième couche support 3b ou sur la semelle 15 par soudage, notamment par soudage par friction ou soudage par spots, par collage ou par brasage.

[53]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 IL/h et 15L/h.

[54]I1 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.

[55]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.

[56]Un tel échangeur thermique 20 permet notamment du fait des matériaux utilisés d’avoir un coût limité. De plus, l’utilisation de vias 9 couplés éventuellement à des patins 13 et une semelle 15 permet de transférer efficacement la chaleur entre les plots thermoélectriques 7 et les conduits 21a, 21b.

[57]Le procédé de fabrication d’un module thermoélectrique 1 tel que décrit précédemment va maintenant être décrit à partir de l’organigramme de la figure 5.

[58]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 thermoplastique tel que de l’époxy utilisée pour les circuits imprimés. [59]La deuxieme etape 102 concerne le perçage de trous traversants a des emplacements prédéterminés dans les première et deuxième couches supports 3a, 3b.

[60]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.

[61]La quatrième étape 104 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 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.

[62]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.

[63]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 thermoelectnques 7 relies en sene. Cette fixation est par exemple realisee par sondage.

[64]La septième étape 107 est une étape facultative et concerne la fixation des patins 13 et/ou des semelles 15 respectivement dans les vias 9 et sur la face externe, c’est-à-dire la face opposée aux plots thermoélectriques 7, des couches supports 3a, 3b. Le montage des patins 13 peut être un montage en force. Les semelles 15 peuvent venir de matière avec les patins 13. Alternativement, la fixation peut être faite par collage ou soudage ou tout procédé de fixation connu de l’homme du métier.

[65]La huitième étape 108 concerne la formation du premier conduit 21a et du deuxième conduit 21b. Le premier conduit 21a peut venir de matière avec la semelle 15 ou peut être formé par un tube 22 qui est fixé sur la première couche support 3a ou sur la semelle 15 associée par soudage ou tout autre procédé de fixation connu de l’homme du métier. Le deuxième conduit 21b est par exemple réalisé par un capot 23 qui vient se fixer sur le tube 22 formant le premier conduit 21a ou sur le module thermoélectrique 1 par encliquetage ou par tout autre moyen de fixation connu de l’homme du métier.

[66]Un tel procédé de fabrication permet, de par sa simplicité, une fabrication en grande série d’échangeurs thermiques avec un coût de fabrication réduit du fait des matériaux utilisés.