FR3041157A1 - Module et dispositif thermo electriques, notamment destines a generer un courant electrique dans un vehicule automobile - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques (1n,1p) cylindriques comprenant un évidement circulaire central, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure (11a) et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure (11b), un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, une électrode tubulaire dite intérieure solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique (1n,1p), une électrode tubulaire dite extérieure (6) solidaire de la face extérieure de chaque élément thermo électrique (1n,1p), et des ailettes (2)s'étendant depuis la face extérieure dudit élément thermo électrique (1n,1p) et perpendiculairement à l'axe de son évidement central, chaque ailette (2) comportant un évidement central de diamètre interne tout juste supérieur au diamètre externe dudit élément thermo électrique (1n,1p) et étant emmanché en force sur la face extérieure de l'électrode extérieure (6) dudit élément thermo électrique (1n,1p).

Description

La présente invention se rapporte à un module et un dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile.

Dans le domaine automobile, a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques, également appelés générateurs thermo électriques ou TEG selon l'acronyme anglo-saxon « ThermoElectric Generator », utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid.

Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entraînée par le vilebrequin du moteur.

Il a déjà été développé par la demanderesse des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le gradient de température permettant de générer le courant électrique est imposé entre deux de leurs faces cylindriques opposées, le fluide chaud et le fluide froid circulant coaxialement, l'un à l'intérieur de l'anneau et l'autre à l'extérieur. Ce type d'éléments thermo électriques présente des difficultés d'intégration qui entraînent l'engagement d'une quantité importante de matière grevant le coût de revient et augmentant l'inertie thermique du dispositif.

Afin de remédier à ces inconvénients, la demanderesse a développé un module thermo électrique comportant des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le premier fluide et le second fluide circulent de manière transversale l'un par rapport à l'autre. Un tel module thermo électrique est représenté sur la figure 1 et comporte une pluralité d'éléments thermo électriques 1 de forme annulaires disposés dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre de façon coaxiale, avec par exemple une alternance d'éléments thermo électriques de type N et d'éléments thermo électriques de type P. Chaque élément thermo électrique 1 comporte des ailettes 2 s'étendant depuis la périphérie extérieure, transversalement et radialement. Ces ailettes 2 permettent de favoriser les échanges thermiques avec les gaz chauds 3 d'échappement qui circulent à travers lesdites ailettes 2, un fluide froid 4 circulant au centre des éléments thermo électriques 1 à travers un tube 5, et extraire le maximum de chaleur des gaz d'échappement pour la transférer aux matériaux thermo électriques.

Pour canaliser les gaz chauds au travers des ailettes 2, on utilise usuellement une enveloppe cylindrique coiffant les ailettes 2 des éléments thermo électriques 1 qui sont assemblés sous la forme d'un crayon cylindrique 6, le crayon 6 d'éléments thermo électriques 1 étant inséré dans l'enveloppe cylindrique dont le diamètre interne est ajusté au diamètre externe des ailettes 2 qui présentent alors une forme circulaire. Afin de réaliser un générateur thermo électrique, plusieurs crayons 6 peuvent être assemblés ensemble, le nombre de crayons 6 dépendant de la puissance électrique souhaitée.

Lesdites ailettes 2 sont usuellement usinées à partir d'un cylindre métallique de sorte qu'il n'est pas possible d'adapter les performances d'échange thermique, tel que l'espace entre deux ailettes adjacentes notamment, aux conditions dans lesquelles l'échangeur thermo électrique sera utilisé. Par ailleurs, l'usinage des ailettes est un procédé de fabrication particulièrement long et onéreux, ce qui grève le coût de fabrication de l'échangeur thermo électrique. L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques cylindriques comprenant un évidement circulaire central, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, ledit module comprenant en outre une électrode tubulaire dite extérieure solidaire de la face extérieure de chaque élément thermo électrique, et des ailettes s'étendant depuis la face extérieure dudit élément thermo électrique, chaque ailette comportant un évidement central de diamètre interne tout juste supérieur au diamètre externe dudit élément thermo électrique et étant emmanché en force sur la face extérieure de l'électrode extérieure dudit élément thermo électrique.

On comprend bien que les ailettes étant emmanchées en force sur la face extérieure de l'électrode extérieure des éléments thermo électriques, il est possible d'adapter le pas, i.e. l'espace, entre deux ailettes adjacentes en fonction des conditions dans lesquels l'échangeur thermo électrique sera utilisé. De plus, le procédé de fabrication des ailettes destinées à être emmanchées sur les éléments thermo électriques ainsi que leur montage sur lesdits éléments thermo électriques est moins onéreux que le procédé de l'art antérieur.

Selon un aspect de l'invention, ledit module comprend en outre une électrode tubulaire dite intérieure solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique.

Selon un aspect de l'invention, lesdites ailettes s'étendent perpendiculairement à l'axe de leur évidement central.

Selon un aspect de l'invention, la différence entre le diamètre externe dudit élément thermo électrique et le diamètre interne de chaque ailette est comprise entre 0.05 et 0.15 mm.

De manière avantageuse, la différence entre le diamètre externe dudit élément thermo électrique et le diamètre interne de chaque ailette est de 0.1 mm.

Selon un aspect de l'invention, les ailettes s'étendent parallèlement les unes par rapport aux autres.

Selon un premier exemple de réalisation, les ailettes sont planes.

Selon un second exemple de réalisation, les ailettes sont ondulées. Une telle forme ondulée des ailettes permet d'augmenter la convection entre les gaz chauds d'échappement et lesdites ailettes.

Afin d'améliorer les performances des ailettes, c'est-à-dire la convection entre les gaz chauds d'échappement et les ailettes, lesdites ailettes présentent un état de surface rugueux.

Selon un aspect de l'invention, lesdites ailettes présentent une forme de rondelle circulaire.

Selon un exemple de réalisation, chaque ailette comprend un collet solidaire du bord intérieur desdites ailettes, ledit collet présentant une largeur supérieure à l'épaisseur de ladite ailette.

Afin d'améliorer les performances desdites ailettes, chaque ailette comporte au moins un jour occulté par des persiennes. L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules tels que décrits précédemment.

Avantageusement, ledit dispositif est configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent entre les ailettes, lesdits gaz définissant le second fluide. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un module thermo électrique de l'art antérieur, la figure 2 est une vue en perspective de l'assemblage de deux éléments thermo électriques d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 3 est une vue en perspective éclatée de l'assemblage de deux éléments thermo électriques et d'ailettes d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 4 est une vue en perspective de deux éléments thermo électriques et d'ailettes assemblées d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 5 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un élément thermo électrique et des ailettes d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'une ailette d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 7 est une vue en perspective d'une variante d'exécution d'une ailette d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 8 est une vue en perspective des persiennes de la variante d'exécution de l'ailette du module thermo électrique conforme à l'invention représentée à la figure 7.

Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.

Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un module thermo électrique, ledit module comprend un premier circuit 5 dit chaud apte à permettre la circulation d'un premier fluide, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et un second circuit 4 dit froid apte à permettre la circulation d'un second fluide, notamment un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. Ledit second fluide présentant ainsi un coefficient d'échange thermique supérieur audit premier fluide.

Ledit module comprend au moins un élément thermo électrique 1, ici une pluralité d'éléments thermo électriques ln,lp, en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure lia définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure 11b définie par une surface de périphérie intérieure, le second fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central dans un tube 5 et le premier fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure.

On notera que les faces extérieures lia et intérieures 11b des éléments thermo électriques 1 sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale par exemple, et/ou polygonale est possible.

De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre les faces intérieure 11b et extérieure lia des éléments thermo électriques ln,lp soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).

Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments lp d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments ln d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. A la figure 1, les éléments thermo électriques 1 représentés sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau.

La surface extérieure lia présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la surface intérieure 11b. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ 2 fois celui de la surface intérieure 11b.

Ledit élément thermo électrique 1 présente, par exemple, deux faces planes parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermo électrique 1 est de section annulaire rectangulaire.

Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces planes, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité électrique.

Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N, et ledit module est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermo électriques 1 d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo électriques 1 de ladite même paire et l'élément thermo électrique 1 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques lp, ln disposés les uns à côtés des autres selon la direction D.

Ledit module pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique, non représentés sur les figures, disposés entre deux faces en vis-à-vis d'éléments thermo électriques voisins lp, ln selon la direction d'extension D longitudinale du tube 5.

En référence aux figures 2 à 6, Ledit module comprend des premiers moyens de connexion électrique 6 reliant les surfaces de périphérie extérieure lia de deux desdits éléments thermo électrique ln et lp, prévus adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique consistent en une électrode tubulaire 6 dite extérieure solidaire de la face extérieure de chaque élément thermo électrique ln, lp, en cuivre permettant de braser deux éléments thermo électriques ln, lp contigus.Cette électrode tubulaire extérieure 6 présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 mm pour des éléments thermo électriques ln,lp présentant un diamètre externe compris entre 15 et 19 mm.

On observera que l'électrode extérieure 6 pourra consister dans toute couche de matière électriquement conductrice, telle qu'une couche de Nickel par exemple sans sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, l'épaisseur de l'électrode extérieure 6 pourra aisément être déterminée par l'Homme du Métier et dépend, outre le matériau dans lequel elle est obtenue, du diamètre externe des éléments thermo électriques ln,lp.

Ledit module comprend avantageusement des surfaces d'échange secondaire, en particulier des ailettes 2, avec le second fluide. On augmente de la sorte la surface d'échange entre les éléments thermo électriques 1 et ledit second fluide. Lesdites ailettes 2 sont disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo électriques 1. Elles sont ici positionnées parallèlement les unes aux autres avec un écartement permettant un bon échange de chaleur avec le second fluide tout en limitant les pertes de charges.

Lesdites ailettes 2 pourront comprendre un revêtement catalytique pour assurer une conversion catalytique de composants toxiques du second fluide. Dans le cas de gaz d'échappement, ledit module pourra de la sorte équiper un pot catalytique en complément ou substitution des composants servant classiquement à la catalyse dans de tels équipements.

En référence aux figures 3 à 6, lesdites ailettes 2 sont constituées de rondelles circulaires comprenant un collet 7 solidaire du bord intérieur desdites rondelles, ledit collet 7 présentant une largeur supérieure à l'épaisseur de ladite ailette 2. On notera que les ailettes sont obtenues par exemple dans de l'aluminium et présentent une épaisseur d'environ 0,1 mm.

Toutefois, lesdites ailettes pourront être obtenues dans tout autre matériau thermiquement conducteur tel que de l'acier inoxydable par exemple, l'épaisseur des ailettes étant alors aisément adaptable par l'Homme du métier. A cet égard, la conduction thermique de l'acier inoxydable étant plus faible que celle de l'aluminium, l'épaisseur d'ailettes 2 obtenues dans de l'acier inoxydable devrait être comprise entre 0,14 et 0,16 environ.

Dans cet exemple de réalisation, les collets 7 des ailettes 2 s'étendent d'un seul côté desdites ailettes. Toutefois, il est bien évident que les collets 7 pourront s'étendre de part et d'autre des ailettes 2 sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Lesdites ailettes 2 sont fixées sur l'électrode extérieure 6 par sertissage. A cet effet, la différence entre le diamètre externe des électrodes extérieures 6 desdits éléments thermo électriques ln, lp et le diamètre interne de chaque ailette 2 est comprise entre 0.05 et 0.15 mm, pour des électrodes extérieures présentant un diamètre externe d'environ 17,4 mm, afin de permettre un emmanchement en force sur la face extérieure des électrodes extérieures 6 desdits éléments thermo électriques ln, lp. De préférence, la différence entre le diamètre externe des électrodes extérieures 6 desdits éléments thermo électriques ln, lp et le diamètre interne de chaque ailette 2 est de 0.1 mm.

On observera que le pas entre deux ailettes 2 adjacentes est déterminé par la largeur des collets 7 desdites ailettes, la largeur desdits collets 7 pouvant être adaptée pour adapter le pas entre les ailettes 2 en fonction des conditions d'utilisation de l'échangeur thermo électrique.

Dans cet exemple de réalisation, les ailettes 2 sont planes et s'étendent parallèlement les unes par rapport aux autres; toutefois, afin d'améliorer les performances des ailettes 2, c'est-à-dire la convection entre les gaz chauds d'échappement et les ailettes 2, lesdites ailettes 2 pourront être ondulées.

Accessoirement, lesdites ailettes 2 pourront présenter un état de surface rugueux, obtenu par un sablage par exemple, afin également d'améliorer l'efficacité desdites ailettes.

En référence aux figures 7 et 8, l'efficacité des ailettes pourra également être améliorée en prévoyant des jours 8 dans chaque ailette 2, lesdits jours 8 étant occultés par des persiennes 9. Dans cet exemple particulier de réalisation, chaque ailette 2 comporte 6 jours rectangulaires uniformément répartis autour de l'ailette et les persiennes 9 présentent également une forme rectangulaire, les lamelles 10 des persiennes 9 s'étendant transversalement. On observera que la forme et le nombre de jours 8 ainsi que la forme, le nombre et l'orientation des lamelles 10 pourront aisément être optimisés par l'homme du métier.

Accessoirement, on notera que le module pourra en outre comprendre des seconds moyens de connexion électrique, non représentés sur les figures, établissant une connexion électrique entre les surfaces de périphérie intérieure de deux desdits éléments thermo électrique 1, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique. Lesdits seconds moyens de connexion électrique comprennent, par exemple, une électrode tubulaire dite intérieure, solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique.

Autrement dit, lesdits premiers et seconds moyens de connexion électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 1 de façon à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique 1 du module.

Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims (12)

1. « REVENDICATIONS »

   1. Module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques (ln,lp) cylindriques comprenant un évidement circulaire central, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure (lia) et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure (11b), un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, ledit module comprenant en outre une électrode tubulaire dite extérieure (6) solidaire de la face extérieure de chaque élément thermo électrique (ln,lp), et des ailettes (2) s'étendant depuis la face extérieure dudit élément thermo électrique (ln,lp), chaque ailette (2) comportant un évidement central de diamètre interne tout juste supérieur au diamètre externe dudit élément thermo électrique (ln,lp) et étant emmanché en force sur la face extérieure de l'électrode extérieure (6) dudit élément thermo électrique (ln,lp).
2. 2. Module selon la revendication 1 dans lequel la différence entre le diamètre externe de l'électrode extérieure (6) dudit élément thermo électrique (ln,lp) et le diamètre interne de chaque ailette (2) est comprise entre 0.05 et 0.15 mm.
3. 3. Module selon la revendication 2 dans lequel la différence entre le diamètre externe de l'électrode extérieure (6) dudit élément thermo électrique (ln,lp) et le diamètre interne de chaque ailette (2) est de 0.1 mm.
4. 4. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel les ailettes (2) s'étendent parallèlement les unes par rapport aux autres.
5. 5. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel les ailettes (2) sont planes.
6. 6. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel les ailettes (2) sont ondulées.
7. 7. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel les ailettes (2) présentent un état de surface rugueux.
8. 8. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel les ailettes (2) présentent une forme de rondelle circulaire.
9. 9. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel chaque ailette (2) comprend un collet (7) solidaire du bord intérieur desdites ailettes (2), ledit collet (7) présentant une largeur supérieure à l'épaisseur de ladite ailette (2).
10. 10. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel chaque ailette (2) comporte au moins un jour (8) occulté par des Persiennes (9).
11. 11. Dispositif thermo électrique comprenant au moins un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 précédentes.
12. 12. Dispositif thermo électrique selon la revendication 11 configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent entre les ailettes (2), lesdits gaz définissant le second fluide.