FR3093246A1 - THERMOELECTRIC POWER SUPPLY MODULE FOR TURBOMACHINE MEASURING DEVICE - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, comportant un capteur (6) et une unité d’alimentation (7) configurée pour alimenter en énergie le capteur (6), l’unité d’alimentation (7) comportant un module d’alimentation thermoélectrique (8) comportant deux plaques support (12) sensiblement parallèles, une première jambe (9) de type n s’étendant d’une plaque (12) à l’autre plaque (12), une deuxième jambe (10) de type p s’étendant d’une plaque (12) à l’autre plaque (12), et un élément d’interconnexion (11) connecté d’une part à la première jambe (9) et d’autre part à la deuxième jambe (10), dans lequel : - la première jambe (9) comporte une phase d’un alliage de Fer et de Silicium, - la deuxième jambe (10) comporte une phase d’un alliage de Manganèse et de Silicium, - l’élément d’interconnexion (11) comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium. Figure pour l’abrégé : Fig. 2The invention relates to an on-board measuring device for a turbomachine, comprising a sensor (6) and a supply unit (7) configured to supply energy to the sensor (6), the supply unit (7) comprising a module thermoelectric power supply (8) comprising two substantially parallel support plates (12), a first n-type leg (9) extending from one plate (12) to the other plate (12), a second leg (10 ) p-type extending from one plate (12) to the other plate (12), and an interconnection element (11) connected on the one hand to the first leg (9) and on the other hand to the second leg (10), in which: - the first leg (9) comprises a phase of an alloy of iron and silicon, - the second leg (10) comprises a phase of an alloy of manganese and silicon, - the interconnection element (11) comprises a solid solution comprising manganese, iron and silicon. Figure for the abstract: Fig. 2
Description
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEURGENERAL TECHNICAL FIELD AND PRIOR ART
L’invention concerne le domaine général des capteurs embarqués utilisés dans l’aéronautique pour suivre l’état ou le fonctionnement de tout ou partie d’une turbomachine.The invention relates to the general field of on-board sensors used in aeronautics to monitor the state or operation of all or part of a turbomachine.
Plus précisément, elle concerne les modules d’alimentation de ces capteurs.More specifically, it concerns the supply modules of these sensors.
Les turbomachines sont aujourd’hui classiquement équipées de capteurs embarqués (capteurs de contraintes, capteurs de température, etc.).Turbomachines today are conventionally equipped with on-board sensors (strain sensors, temperature sensors, etc.).
Les mesures de ces capteurs sont par exemple utilisées en fonctionnement, à des fins d’optimisation du fonctionnement de la turbomachine ; elles peuvent également être utilisées à des fins de maintenance des équipementsThe measurements of these sensors are for example used in operation, for the purpose of optimizing the operation of the turbomachine; they can also be used for equipment maintenance purposes
De tels capteurs doivent être alimentés électriquement afin de fonctionner, malgré les sollicitations thermiques et mécaniques imposées par leur environnement.Such sensors must be electrically powered in order to operate, despite the thermal and mechanical stresses imposed by their environment.
En fonction des contraintes d’installation de ces capteurs, par exemple dans des zones confinées ou fortement sollicitées thermiquement, il n’est pas toujours possible de tirer des fils d’alimentation de manière à connecter les capteurs à une source de puissance centralisée, ni d’y accoler un système de batteries, bien souvent trop volumineux.Depending on the installation constraints of these sensors, for example in confined or highly thermally stressed areas, it is not always possible to run power wires so as to connect the sensors to a centralized power source, nor attach a battery system, which is often too bulky.
Dans de telles configurations d’installation, par exemple en présence de fortes contraintes d’encombrement, des modules thermoélectriques peuvent être utilisés pour alimenter les capteurs, tirant profit des gradients thermiques disponibles à proximité de la zone d’implantation du capteur.In such installation configurations, for example in the presence of strong space constraints, thermoelectric modules can be used to power the sensors, taking advantage of the thermal gradients available near the sensor installation area.
Le fonctionnement d’un module thermoélectrique est basé sur l’exploitation de l’effet Seebeck : une différence de potentiel est générée entre deux points de jonction de conducteurs de natures différentes soumis à une différence de température.The operation of a thermoelectric module is based on the exploitation of the Seebeck effect: a potential difference is generated between two junction points of conductors of different natures subjected to a temperature difference.
Classiquement, un module thermoélectrique tel que représenté en figure 1 est constitué de plusieurs éléments permettant de convertir un gradient thermique entre une zone « froide » et une zone « chaude » en différence de potentiel, notamment d’une succession de couples comportant une jambe de type n (jambe 2), et une jambe de type p (jambe 3), chaque couple étant associé à un élément d’interconnexion 4 reliant les deux jambes 2 et 3.Conventionally, a thermoelectric module as represented in FIG. 1 consists of several elements making it possible to convert a thermal gradient between a "cold" zone and a "hot" zone into a potential difference, in particular of a succession of pairs comprising a leg of type n (leg 2), and a type p leg (leg 3), each couple being associated with an interconnecting element 4 connecting the two legs 2 and 3.
Les éléments d’interconnexion 4 sont disposés au contact de deux plaques conductrices C, une plaque support C étant au contact des éléments d’interconnexion 4 faisant liaison d’une première jambe 2 à une deuxième jambe 3 dans le sens de circulation du courant, l’autre plaque support C étant au contact des éléments d’interconnexion 4 faisant liaison d’une deuxième jambe 3 à une première jambe 2 dans le sens de circulation du courant.The interconnection elements 4 are arranged in contact with two conductive plates C, a support plate C being in contact with the interconnection elements 4 connecting a first leg 2 to a second leg 3 in the direction of current flow, the other support plate C being in contact with interconnection elements 4 connecting a second leg 3 to a first leg 2 in the direction of current flow.
Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d’ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe n/ jambe p.Thus, the n-type legs and the p-type legs are arranged alternately, and connected so as to form a series circuit in order to add the potential difference generated by each n-leg/p-leg pair.
Par plaque conductrice C, il est entendu un conducteur thermique et isolant électrique, de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d’uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d’interconnexion 4 en contact avec la même plaque.By conductive plate C is meant a thermal conductor and electrical insulator, so as to homogenize the temperature gradient to which each leg is subjected while avoiding uniformizing the electrical potential of the various interconnection elements 4 in contact with the same plate. .
Ces différents éléments sont agencés de manière à former un circuit électrique dans un module de manière à cumuler la différence de potentiel générée par chaque couple n / p.These different elements are arranged so as to form an electrical circuit in a module so as to accumulate the potential difference generated by each n/p pair.
De nombreux matériaux thermoélectriques existent aujourd’hui, présentant des plages de température de fonctionnement différentes selon les matériaux les constituant.Many thermoelectric materials exist today, with different operating temperature ranges depending on the materials of which they are made.
Pour les applications aéronautiques, particulièrement les turbomachines, les températures de fonctionnement sont souvent comprises entre 600°C et 1000°C.For aeronautical applications, particularly turbomachines, operating temperatures are often between 600°C and 1000°C.
Néanmoins, les sollicitations spécifiques développées par les structures aéronautiques imposent au module thermoélectrique d’être résistant :Nevertheless, the specific stresses developed by aeronautical structures require the thermoelectric module to be resistant:
- Au cyclage thermique, induit par les transitoires entre le décollage, la croisière et l’atterrissage ;- Thermal cycling, induced by transients between takeoff, cruise and landing;
- Au vieillissement longue durée à température élevée, la maintenance de ces modules devant être cohérente de celle des pièces auxquelles ils sont fixés ;- Long-term aging at high temperature, the maintenance of these modules having to be consistent with that of the parts to which they are attached;
- A l’oxydation sous air, les environnements turbines étant obligatoirement sous air et à température élevée.- Oxidation in air, the turbine environments being necessarily in air and at high temperature.
La présente invention cherche donc à répondre à ces exigences en proposant un assemblage de matériaux compatibles et permettant de remplir la fonction de générateur électrique.The present invention therefore seeks to meet these requirements by proposing an assembly of compatible materials and making it possible to fulfill the function of an electric generator.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTIONGENERAL PRESENTATION OF THE INVENTION
Un but de l’invention est de proposer une cellule thermoélectrique qui résiste aux conditions environnementales liées à une utilisation dans une turbomachine.An object of the invention is to provide a thermoelectric cell which is resistant to the environmental conditions associated with use in a turbomachine.
Un autre but de l’invention est de maximiser la cohérence mécanique de la cellule thermoélectrique, en limitant les phénomènes de délamination et les contraintes internes.Another object of the invention is to maximize the mechanical coherence of the thermoelectric cell, by limiting the phenomena of delamination and the internal stresses.
Un autre but de l’invention est d’optimiser la compatibilité chimique des différentes phases de la cellule thermoélectrique.Another object of the invention is to optimize the chemical compatibility of the different phases of the thermoelectric cell.
Un autre but de l’invention est de réaliser une cellule thermoélectrique capable de générer une couche d’oxyde protectrice lorsqu’elle est soumise à des conditions oxydantes.Another object of the invention is to produce a thermoelectric cell capable of generating a protective oxide layer when subjected to oxidizing conditions.
L’invention propose un module d’alimentation thermoélectrique pour dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, le module d’alimentation thermoélectrique comportant deux plaques support sensiblement parallèles, une première jambe de type n s’étendant d’une plaque à l’autre plaque, une deuxième jambe de type p s’étendant d’une plaque à l’autre plaque, et un élément d’interconnexion connecté d’une part à la première jambe et d’autre part à la deuxième jambe, dans lequel :The invention proposes a thermoelectric power supply module for an on-board measurement device for a turbomachine, the thermoelectric power supply module comprising two substantially parallel support plates, a first n-type leg extending from one plate to the other plate, a second p-type leg extending from one plate to the other plate, and an interconnection element connected on the one hand to the first leg and on the other hand to the second leg, in which:
- la première jambe comporte une phase d’un alliage de Fer et de Silicium,- the first leg comprises a phase of an alloy of iron and silicon,
- la deuxième jambe comporte une phase d’un alliage de Manganèse et de Silicium,- the second leg comprises a phase of an alloy of Manganese and Silicon,
- l’élément d’interconnexion comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.- the interconnection element comprises a solid solution comprising manganese, iron and silicon.
Optionnellement mais avantageusement, un tel dispositif est complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :Optionally but advantageously, such a device is supplemented by the following characteristics, taken alone or in combination:
- l’élément d’interconnexion comporte une phase de TiMnSi2et une phase de TiFeSi2;- the interconnection element comprises a phase of TiMnSi 2 and a phase of TiFeSi 2 ;
- l’élément d’interconnexion comporte une première zone en contact avec la première jambe et une deuxième zone en contact avec la deuxième jambe, dans lequel la première zone comporte du TiFeSi2et la deuxième zone comporte du TiMnSi2;- the interconnection element comprises a first zone in contact with the first leg and a second zone in contact with the second leg, in which the first zone comprises TiFeSi 2 and the second zone comprises TiMnSi 2 ;
- la première jambe comporte une phase de FeSi2, et la deuxième jambe comporte une phase de MnSi1,7;- the first leg comprises a phase of FeSi 2 , and the second leg comprises a phase of MnSi 1.7 ;
- la première et/ou la deuxième jambe comporte un élément de dopage choisi parmi l’Aluminium, le Chrome, le Cobalt, le Germanium, le Bore, l’Antimoine, le Tellure, le Phosphore, le Carbone, l’Azote, le Fluor, le Soufre, ou une combinaison de ceux-ci ;- the first and/or the second leg comprises a doping element chosen from among Aluminum, Chromium, Cobalt, Germanium, Boron, Antimony, Tellurium, Phosphorus, Carbon, Nitrogen, Fluorine, Sulfur, or a combination thereof;
- la proportion massique d’éléments de dopage dans le matériau formant la première et/ou la deuxième jambe est inférieure à 10% ;- the mass proportion of doping elements in the material forming the first and/or the second leg is less than 10%;
- l’élément d’interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si.- the interconnection element comprises a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
Selon un autre aspect, l’invention propose également un dispositif de mesure pour turbomachine comportant un capteur et une unité d’alimentation configurée pour alimenter en énergie ledit capteur, dans lequel le module d’alimentation est un module selon l’invention.According to another aspect, the invention also proposes a measuring device for a turbomachine comprising a sensor and a supply unit configured to supply said sensor with energy, in which the supply module is a module according to the invention.
Selon un autre aspect encore, l’invention propose un procédé de fabrication d’une cellule thermoélectrique selon l’invention comprenant les étapes de :According to yet another aspect, the invention proposes a method for manufacturing a thermoelectric cell according to the invention comprising the steps of:
- S1 : Elaboration de phases de MnSi1,7et de FeSi2par fusion ou frittage ;- S1: Production of MnSi 1.7 and FeSi 2 phases by melting or sintering;
- S2 : Elaboration de phases de TiMnSi2, TiFeSi2par un procédé de fusion ou de frittage ;- S2: Elaboration of TiMnSi 2 , TiFeSi 2 phases by a melting or sintering process;
- S3 : Mise en contact de la phase de MnSi1,7avec la phase de TiMnSi2, de la phase de TiMnSi2avec la phase de TiFeSi2, et de la phase de TiFeSi2avec la phase de FeSi2 ;- S3: Contacting of the MnSi phase1.7with TiMnSi phase2, of the TiMnSi phase2with TiFeSi phase2, and the TiFeSi phase2with FeSi phase2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l’ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.- S4: Hot pressing or flash sintering of the assembly in order to densify and unite the different elements.
Selon un autre aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une cellule thermoélectrique selon l’invention, comprenant les étapes de :According to another aspect, the invention proposes a method for manufacturing a thermoelectric cell according to the invention, comprising the steps of:
- S1 : Elaboration de phases de MnSi1,7et de FeSi2par fusion ou frittage ;- S1: Production of MnSi 1.7 and FeSi 2 phases by melting or sintering;
- S2’ : Elaboration d’une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de frittage ;- S2': Elaboration of a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si by a melting or sintering process;
- S3’ : Mise en contact de la phase de MnSi1,7avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, de la phase de Mn0,5Fe0,5Si avec la phase de FeSi2 ;- S3’: Contacting of the MnSi phase1.7with Mn phase0.5Fe0.5Si, of the Mn phase0.5Fe0.5If with FeSi phase2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l’ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.- S4: Hot pressing or flash sintering of the assembly in order to densify and unite the different elements.
Selon un autre aspect, l’invention propose une turbomachine comportant un dispositif de mesure embarqué comportant un module d’alimentation thermoélectrique selon l’invention.According to another aspect, the invention proposes a turbomachine comprising an on-board measuring device comprising a thermoelectric power supply module according to the invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description, which is purely illustrative and not limiting, and must be read in conjunction with the appended figures in which:
- la figure 1 est une représentation schématique d’une cellule thermoélectrique selon l’art antérieur ;- Figure 1 is a schematic representation of a thermoelectric cell according to the prior art;
- la figure 2 est une représentation schématique d’un dispositif de mesure selon l’invention ;- Figure 2 is a schematic representation of a measuring device according to the invention;
- la figure 3 est une représentation schématique des étapes d’un procédé de fabrication d’une cellule thermoélectrique selon l’invention.- Figure 3 is a schematic representation of the steps of a method of manufacturing a thermoelectric cell according to the invention.
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE et DE rÉalisationDESCRIPTION OF ONE OR MORE MODES OF IMPLEMENTATION AND REALIZATION
GénéralitésGeneral
Un dispositif de mesure embarqué pour turbomachine, tel qu’illustré en figure 2, comporte un capteur 6 et une unité d’alimentation 7 configurée pour alimenter en énergie le capteur 6.An on-board measurement device for a turbomachine, as illustrated in FIG. 2, comprises a sensor 6 and a supply unit 7 configured to supply energy to the sensor 6.
Le capteur 6 peut être un capteur de température, de contraintes, de pression, ou tout autre type de capteur.The sensor 6 can be a temperature, stress, pressure sensor, or any other type of sensor.
L’unité d’alimentation 7 comporte un module d’alimentation thermoélectrique 8 comportant :The power supply unit 7 comprises a thermoelectric power supply module 8 comprising:
- deux plaques support 12 sensiblement parallèles,- two substantially parallel support plates 12,
- une première jambe 9 de type n s’étendant d’une plaque 12 à l’autre plaque 12,- a first n-type leg 9 extending from one plate 12 to the other plate 12,
- une deuxième jambe 10 de type p s’étendant d’une plaque 12 à l’autre plaque 12, et- a second p-type leg 10 extending from one plate 12 to the other plate 12, and
- un élément d’interconnexion 11 connecté d’une part à la première jambe 9 et d’autre part à la deuxième jambe 10.- an interconnection element 11 connected on the one hand to the first leg 9 and on the other hand to the second leg 10.
La première jambe 9 comporte une phase d’un alliage de Fer et de Silicium.The first leg 9 comprises a phase of an alloy of iron and silicon.
La deuxième jambe 10 comporte une phase d’un alliage de Manganèse et de Silicium.The second leg 10 includes a phase of an alloy of manganese and silicon.
L’élément d’interconnexion 11 comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.The interconnection element 11 comprises a solid solution comprising manganese, iron and silicon.
Le module d’alimentation thermoélectrique 8 comporte une pluralité de premières jambes 9 de type n de deuxièmes jambes 10 de type p, une pluralité d’éléments d’interconnexion 11 étant chacun connectés d’une part à une première jambe 9 et d’autre part à une deuxième jambe 10.The thermoelectric power supply module 8 comprises a plurality of n-type first legs 9 and p-type second legs 10, a plurality of interconnection elements 11 each being connected on the one hand to a first leg 9 and on the other goes to a second leg 10.
Les éléments d’interconnexion 11 sont maintenus au contact de plaques 12, une plaque 12 étant au contact des éléments d’interconnexion 11 faisant liaison d’une première jambe 9 à une deuxième jambe 10 dans le sens de circulation du courant, l’autre plaque 12 étant au contact des éléments d’interconnexion 11 faisant liaison d’une deuxième jambe 10 à une première jambe 9 dans le sens de circulation du courant.The interconnection elements 11 are held in contact with plates 12, one plate 12 being in contact with the interconnection elements 11 connecting a first leg 9 to a second leg 10 in the direction of current flow, the other plate 12 being in contact with interconnection elements 11 connecting a second leg 10 to a first leg 9 in the direction of current flow.
Ainsi, les jambes de type n et les jambes de type p sont disposées de manière alternée, et connectées de manière à former un circuit en série afin d’ajouter la différence de potentiel générée par chaque couple jambe n/ jambe p.Thus, the n-type legs and the p-type legs are arranged alternately, and connected so as to form a series circuit in order to add the potential difference generated by each n-leg/p-leg pair.
Les bornes du circuit ainsi formées sont connectées aux bornes du capteur 6, permettant ainsi d’alimenter le capteur 6 en énergie lorsque le module d’alimentation thermoélectrique 8 est soumis à un gradient de température.The terminals of the circuit thus formed are connected to the terminals of the sensor 6, thus making it possible to supply the sensor 6 with energy when the thermoelectric power supply module 8 is subjected to a temperature gradient.
Une plaque 12 peut être placée au contact d’un corps ou un milieu chaud dans la turbomachine, l’autre plaque étant au contact d’un corps ou un milieu moins chaud, de manière à générer une différence de potentiel entre les bornes du module d’alimentation thermoélectrique 8 sous l’effet du différentiel de température entre les plaques 12.A plate 12 can be placed in contact with a hot body or medium in the turbomachine, the other plate being in contact with a less hot body or medium, so as to generate a potential difference between the terminals of the module thermoelectric supply 8 under the effect of the temperature differential between the plates 12.
Avantageusement, les plaques 12 sont réalisées en matériau conducteur thermique et non conducteur électrique, de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe tout en évitant d’uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d’interconnexion 4 en contact avec la même plaque.Advantageously, the plates 12 are made of thermally conductive and electrically non-conductive material, so as to homogenize the temperature gradient to which each leg is subjected while avoiding uniformizing the electrical potential of the various interconnection elements 4 in contact with the same plaque.
Les compositions de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l’élément d’interconnexion 11 permettent notamment de favoriser la cohésion et la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l’élément d’interconnexion 11, ce qui permet d’éviter la formation de phases secondaires non désirées aux zones d’interface entre :The compositions of the first leg 9, the second leg 10 and the interconnection element 11 make it possible in particular to promote cohesion and chemical compatibility between the first 9 and second 10 legs and the interconnection element 11, which allows avoid the formation of unwanted secondary phases at the interface zones between:
- la première 9 et l’élément d’interconnexion 11, et- the first 9 and the interconnection element 11, and
- la deuxième 10 jambe et l’élément d’interconnexion 11.- the second 10 leg and the interconnecting element 11.
Cela permet notamment ne pas former de phases secondaires qui modifieraient la conductivité électrique, thermique ou le coefficient Seebeck des matériaux.This makes it possible in particular not to form secondary phases which would modify the electrical or thermal conductivity or the Seebeck coefficient of the materials.
L’utilisation d’alliages comportant du Silicium permet en outre de former des oxydes stables même lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées, par exemple une couche de silice qui formerait une protection en surface de la première jambe 9, la deuxième jambe 10 et l’élément d’interconnexion 11.The use of alloys comprising silicon also makes it possible to form stable oxides even when they are exposed to high temperatures, for example a layer of silica which would form a surface protection for the first leg 9, the second leg 10 and the interconnection element 11.
Les matériaux choisis présentent également l’avantage d’éviter une dépendance à des matériaux rares ou stratégiques, en limitant leur utilisation.The materials chosen also have the advantage of avoiding dependence on rare or strategic materials, by limiting their use.
L’élément d’interconnexionThe Interconnection Element
Dans un mode de réalisation, l’élément d’interconnexion 11 peut comporter une phase de TiMnSi2et une phase de TiFeSi2.In one embodiment, the interconnection element 11 can include a TiMnSi 2 phase and a TiFeSi 2 phase.
L’utilisation de telles phases permet d’assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l’élément d’interconnexion 11, ce qui permet d’éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux.The use of such phases makes it possible to ensure chemical compatibility between the first 9 and second 10 legs and the interconnection element 11, which makes it possible to avoid the formation of secondary compounds and thus to preserve the physical characteristics of the materials. .
Ces phases présentent également une bonne capacité à générer des oxydes protecteurs, notamment de la silice.These phases also have a good ability to generate protective oxides, in particular silica.
Les phases de TiMnSi2et de TiFeSi2présentent des coefficients de dilatation thermique proches des matériaux de jambe, ce qui permet de limiter l’apparition de contraintes internes dans l’élément d’interconnexion 11 lorsqu’il monte ou descend en température, permettant de favoriser la cohérence mécanique du module.The TiMnSi 2 and TiFeSi 2 phases have thermal expansion coefficients close to the leg materials, which makes it possible to limit the appearance of internal stresses in the interconnection element 11 when it rises or falls in temperature, allowing to favor the mechanical coherence of the module.
Dans un mode de réalisation, l’élément d’interconnexion 11 peut comporter une première zone 111 en contact avec la première jambe 9 et une deuxième zone 112 en contact avec la deuxième jambe 10, dans lequel la première zone 111 comporte du TiFeSi2et la deuxième zone 112 comporte du TiMnSi2.In one embodiment, the interconnection element 11 may comprise a first zone 111 in contact with the first leg 9 and a second zone 112 in contact with the second leg 10, in which the first zone 111 comprises TiFeSi 2 and the second zone 112 comprises TiMnSi 2 .
Cela permet d’améliorer la cohésion et la compatibilité chimique entre la première jambe 9 et l’élément d’interconnexion 11 et entre la deuxième jambe 10 et l’élément d’interconnexion.This makes it possible to improve the cohesion and the chemical compatibility between the first leg 9 and the interconnection element 11 and between the second leg 10 and the interconnection element.
Avantageusement, la proportion volumique en phases de TiMnSi2et TiFeSi2dans la microstructure est supérieure à 94%.Advantageously, the proportion by volume of TiMnSi 2 and TiFeSi 2 phases in the microstructure is greater than 94%.
Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d’éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau.This makes it possible in particular, during the manufacturing process, to avoid internal stress phenomena that can lead to cracking of the material.
En variante, l’élément d’interconnexion comporte une phase de Mn0,5Fe0,5Si.As a variant, the interconnection element comprises a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
L’utilisation d’une telle phase permet d’assurer la compatibilité chimique entre la première 9 et deuxième 10 jambes et l’élément d’interconnexion 11, ce qui permet d’éviter la formation de composés secondaires et ainsi de préserver les caractéristiques physiques des matériaux.The use of such a phase makes it possible to ensure the chemical compatibility between the first 9 and second 10 legs and the interconnection element 11, which makes it possible to avoid the formation of secondary compounds and thus to preserve the physical characteristics. materials.
Cette phase présente également une bonne capacité à générer des oxydes protecteurs, notamment de la silice.This phase also has a good capacity to generate protective oxides, in particular silica.
L’avantage d’utiliser une phase principale de Mn0,5Fe0,5Si est d’optimiser l’homogénéité des caractéristiques physiques de l’élément d’interconnexion 11, de manière à limiter l’apparition de contraintes internes.The advantage of using a main phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si is to optimize the homogeneity of the physical characteristics of the interconnection element 11, so as to limit the appearance of internal stresses.
Avantageusement, la proportion volumique en phase de Mn0,5Fe0,5Si dans la microstructure est supérieure à 94%.Advantageously, the volume proportion in phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si in the microstructure is greater than 94%.
Cela permet notamment, lors du procédé de fabrication, d’éviter des phénomènes de contraintes internes pouvant conduire à la fissuration du matériau.This makes it possible in particular, during the manufacturing process, to avoid internal stress phenomena that can lead to cracking of the material.
Les jambesLegs
Dans un mode de réalisation, la première jambe 9 peut comporter une phase de FeSi2, et la deuxième jambe 10 comporte une phase de MnSi1,7.In one embodiment, the first leg 9 can include a FeSi 2 phase, and the second leg 10 includes a MnSi 1.7 phase.
Ces composés ont des coefficients de dilatation thermique proches l’un de l’autre, ce qui permet de limiter les risques de délaminage aux interfaces. En outre, leurs coefficients de dilatation thermique sont proches des coefficients de dilatation thermique du TiMnSi2, du TiFeSi2, et du Mn0,5Fe0,5Si. Cela permet de limiter l’apparition de contraintes au niveau des zones d’interfaces entre les jambes 9, 10 et l’élément d’interconnexion.These compounds have thermal expansion coefficients close to each other, which makes it possible to limit the risks of delamination at the interfaces. In addition, their thermal expansion coefficients are close to the thermal expansion coefficients of TiMnSi 2 , TiFeSi 2 , and Mn 0.5 Fe 0.5 Si. This makes it possible to limit the appearance of stresses at the level of the areas of interfaces between the legs 9, 10 and the interconnecting element.
En outre, les phases de FeSi2et de MnSi1,7présentent une capacité à générer une couche d’oxyde protectrice, et ne forment pas de phases secondaires aux interfaces avec le TiMnSi2, le TiFeSi2, ou le Mn0,5Fe0,5Si.In addition, the FeSi 2 and MnSi 1.7 phases have the ability to generate a protective oxide layer, and do not form secondary phases at the interfaces with TiMnSi 2 , TiFeSi 2 , or Mn 0.5 Fe 0.5 Si.
Optionnellement, la première jambe 9 et/ou la deuxième jambe 10 peut comporter des éléments de dopage, ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques des matériaux les constituant.Optionally, the first leg 9 and/or the second leg 10 can comprise doping elements, added to improve the thermoelectric properties of the materials constituting them.
Les éléments de dopage peuvent être choisis parmi :The doping elements can be chosen from:
- les métaux, par exemple l’Aluminium,- metals, for example Aluminum,
- les métaux de transition, par exemple le Chrome, le Cobalt,- transition metals, for example Chromium, Cobalt,
- les métalloïdes, comme le Germanium, le Bore, l’Antimoine, le Tellure,- metalloids, such as germanium, boron, antimony, tellurium,
- les non-métaux, comme le Phosphore, le Carbone, l’Azote, le Fluor, le Soufre.- non-metals, such as Phosphorus, Carbon, Nitrogen, Fluorine, Sulphur.
Dans un mode de réalisation, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) peuvent comporter une proportion volumique supérieure à 90% de FeSi2(respectivement de MnSi1,7) et une proportion volumique d’oxydes dispersés dans le massif (silice, oxydes provenant d’éléments de dopage, …) inférieure ou égale à 10%.In one embodiment, the materials constituting the first leg 9 (respectively the second leg 10) may comprise a volume proportion greater than 90% of FeSi 2 (respectively of MnSi 1.7 ) and a volume proportion of oxides dispersed in the mass (silica, oxides from doping elements, etc.) less than or equal to 10%.
Ce rapport de proportions permet notamment d’éviter la formation de phases néfastes pour les propriétés du matériau. La proportion d’oxyde dans le massif permet de modifier la conductivité thermique des jambes et d’optimiser les performances thermoélectriques de chacune d’elles.This ratio of proportions makes it possible in particular to avoid the formation of phases harmful to the properties of the material. The proportion of oxide in the solid makes it possible to modify the thermal conductivity of the legs and to optimize the thermoelectric performance of each of them.
Avantageusement, les matériaux constituant la première jambe 9 (respectivement la deuxième jambe 10) présentent une proportion de phases riches en Silicium inférieure à 10% du volume total.Advantageously, the materials constituting the first leg 9 (respectively the second leg 10) have a proportion of phases rich in silicon of less than 10% of the total volume.
Il est entendu par phase riche en Silicium une phase dans laquelle la concentration atomique en Silicium est supérieure à 70%.A phase rich in silicon is understood to mean a phase in which the atomic concentration of silicon is greater than 70%.
Ce rapport de proportion permet de modifier les propriétés de conduction électrique des jambes et ainsi d’en optimiser les performances thermoélectriques.This proportion ratio makes it possible to modify the electrical conduction properties of the legs and thus to optimize their thermoelectric performance.
Procédé de fabricationManufacturing process
Un module d’alimentation thermoélectrique 8 peut être fabriqué par un procédé comportant les étapes suivantes :A thermoelectric power supply module 8 can be manufactured by a method comprising the following steps:
S1 : Elaborer des phases de MnSi1.7et de FeSi2par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.S1: Elaborate MnSi 1.7 and FeSi 2 phases by a melting or powder metallurgy process, for example sintering or flash sintering.
Dans un mode de réalisation, des poudres métalliques sont disposées dans un moule puis chauffées jusqu’au point de fusion d’au moins un des différents éléments en présence.In one embodiment, metal powders are placed in a mold and then heated to the melting point of at least one of the various elements present.
En variante, les poudres peuvent être compressées et chauffées à une température proche de leur point de fusion, de manière à solidariser les grains de poudre entre eux.As a variant, the powders can be compressed and heated to a temperature close to their melting point, so as to unite the grains of powder together.
A la place du chauffage, un courant peut être injecté à travers les poudres, de manière à générer des arcs provoquant un chauffage local des grains de poudre amenant à solidariser les grains de poudre entre eux.Instead of heating, a current can be injected through the powders, so as to generate arcs causing local heating of the grains of powder causing the grains of powder to join together.
Optionnellement, des éléments dopants peuvent être ajoutés pour améliorer les propriétés thermoélectriques de ces phases.Optionally, doping elements can be added to improve the thermoelectric properties of these phases.
Les matériaux obtenus seront dénommés respectivement MS et FS par la suite.The materials obtained will be referred to respectively as MS and FS thereafter.
S2 : Elaborer les phases TiMnSi2, TiFeSi2par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.S2: Elaborate the TiMnSi 2 , TiFeSi 2 phases by a melting or powder metallurgy process, for example sintering or flash sintering.
Dans un mode de réalisation, au cours d’une étape S2’ on élabore une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de métallurgie des poudres, par exemple du frittage ou du frittage flash.In one embodiment, during a step S2′, a phase of Mn 0.5 Fe 0.5 Si is produced by a melting or powder metallurgy process, for example sintering or flash sintering.
S3 : Mettre en contact les différentes phases que ce soit sous forme solide, poudre, ou une combinaison des deux suivant les séquences suivantes : MS/TiMnSi2/TiFeSi2/FS.S3: Bring the different phases into contact, whether in solid or powder form, or a combination of the two according to the following sequences: MS/TiMnSi 2 /TiFeSi 2 /FS.
La phase de MnSi1,7est ainsi mise en contact avec la phase de TiMnSi2, la phase de TiMnSi2avec la phase de TiFeSi2, et la phase de TiFeSi2avec la phase de FeSi2.The MnSi 1.7 phase is thus brought into contact with the TiMnSi 2 phase, the TiMnSi 2 phase with the TiFeSi 2 phase, and the TiFeSi 2 phase with the FeSi 2 phase.
Dans un autre mode de réalisation, au cours d’une étape S3’, la phase de MnSi1,7est mise en contact avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, et la phase de Mn0,5Fe0,5Si avec la phase de FeSi2.In another embodiment, during a step S3′, the MnSi 1.7 phase is brought into contact with the Mn 0.5 Fe 0.5 Si phase, and the Mn 0.5 Fe 0.5 Si with the FeSi 2 phase.
S4 : Réaliser la jonction et/ou densification des différents éléments en une étape par pressage à chaud ou par frittage flash.S4: Make the junction and/or densification of the different elements in one step by hot pressing or by flash sintering.
Les caractéristiques en tout point du module des microstructures obtenues sont les suivantes :The characteristics at any point of the module of the microstructures obtained are as follows:
-
Pour les matériaux interconnecteurs (TiMnSi2/TiFeSi2/ Mn0,5Fe0,5Si) :
- Densité relative >94%
- Proportion volumique des phases TiMnSi2, TiFeSi2, Mn0,5Fe0,5Si dans la microstructure >94 vol%
- Relative density >94%
- Volume proportion of the TiMnSi 2 , TiFeSi 2 , Mn 0.5 Fe 0.5 Si phases in the microstructure >94 vol%
-
Pour les matériaux MS et FS :
- Densité relative >90%
- Proportion volumique des phases MS et FS dans la microstructure >90 vol%
- Proportion volumique d’oxydes (Al2O3, Cr2O3, MnO, MgO, SiO2, …) ≤10 vol%
- Proportion volumique de phases riches en Si (composition en Si >70 at%) ≤10 vol% total.
- Relative density >90%
- Volume proportion of MS and FS phases in the microstructure >90 vol%
- Volume proportion of oxides (Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , MnO, MgO, SiO 2 , …) ≤10 vol%
- Volume proportion of Si-rich phases (Si composition >70 at%) ≤10 vol% total.
Avantageusement, des traitements thermiques ultérieurs peuvent être réalisés, ainsi que des phases d’usinage et des opérations de contrôle non-destructif, de manière à assurer la qualité du produit.Advantageously, subsequent heat treatments can be carried out, as well as machining phases and non-destructive testing operations, so as to ensure the quality of the product.
Claims (11)
- la première jambe (9) comporte une phase d’un alliage de Fer et de Silicium,
- la deuxième jambe (10) comporte une phase d’un alliage de Manganèse et de Silicium,
- l’élément d’interconnexion (11) comporte une solution solide comportant du Manganèse, du Fer et du Silicium.Thermoelectric power supply module (8) for a measuring device onboard or intended to be onboard a turbomachine, the thermoelectric power supply module (8) comprising two substantially parallel support plates (12), a first n-type leg (9) extending from one plate (12) to the other plate (12), a second p-type leg (10) extending from one plate (12) to the other plate (12), and a member interconnection (11) connected on the one hand to the first leg (9) and on the other hand to the second leg (10), in which:
- the first leg (9) comprises a phase of an alloy of iron and silicon,
- the second leg (10) comprises a phase of an alloy of manganese and silicon,
- the interconnection element (11) comprises a solid solution comprising manganese, iron and silicon.
- S1 : Elaboration de phases de MnSi1,7et de FeSi2par fusion ou frittage ;
- S2 : Elaboration de phases de TiMnSi2, TiFeSi2par un procédé de fusion ou de frittage ;
- S3 : Mise en contact de la phase de MnSi1,7avec la phase de TiMnSi2, de la phase de TiMnSi2avec la phase de TiFeSi2, et de la phase de TiFeSi2avec la phase de FeSi2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l’ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.Method of manufacturing a thermoelectric power supply module (8) according to one of claims 1 to 6 comprising the steps of:
- S1: Elaboration of MnSi phases1.7and FeSi2by melting or sintering;
- S2: Elaboration of TiMnSi phases2, TiFeSi2by a melting or sintering process;
- S3: Contacting of the MnSi phase1.7with TiMnSi phase2, of the TiMnSi phase2with TiFeSi phase2, and the TiFeSi phase2with FeSi phase2 ;
- S4: Hot pressing or flash sintering of the assembly in order to densify and unite the different elements.
- S1 : Elaboration de phases de MnSi1,7et de FeSi2par fusion ou frittage ;
- S2’ : Elaboration d’une phase de Mn0,5Fe0,5Si par un procédé de fusion ou de frittage ;
- S3’ : Mise en contact de la phase de MnSi1,7avec la phase de Mn0,5Fe0,5Si, de la phase de Mn0,5Fe0,5Si avec la phase de FeSi2 ;
- S4 : Pressage à chaud ou frittage flash de l’ensemble de manière à densifier et solidariser les différents éléments.A method of manufacturing a thermoelectric power module (8) according to claim 7, comprising the steps of:
- S1: Elaboration of MnSi phases1.7and FeSi2by melting or sintering;
- S2’: Elaboration of a phase of Mn0.5Fe0.5If by a melting or sintering process;
- S3’: Contacting of the MnSi phase1.7with Mn phase0.5Fe0.5Si, of the Mn phase0.5Fe0.5If with FeSi phase2 ;
- S4: Hot pressing or flash sintering of the assembly in order to densify and unite the different elements.
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| FR1901769A FR3093246B1 (en) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | THERMOELECTRIC POWER SUPPLY MODULE FOR TURBOMACHINE MEASURING DEVICE |
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| FR1901769A FR3093246B1 (en) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | THERMOELECTRIC POWER SUPPLY MODULE FOR TURBOMACHINE MEASURING DEVICE |
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Citations (2)
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2019
- 2019-02-21 FR FR1901769A patent/FR3093246B1/en active Active
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2020
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|---|---|
| FR3093246B1 (en) | 2022-09-02 |
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