FR2514202A1 - Dispositif thermo-electrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF THERMO-ELECTRIQUE DE TRANSFERT DE CHALEUR ENTRE UN FLUX GAZEUX ET UN FLUX LIQUIDE. LES ECHANGEURS A GAZ 1, 2A, 2B, 2C, 2H COMPORTENT DEUX LAMES ELASTIQUES 2A, 2B QUI INTRODUISENT, DANS L'EMPILEMENT CENTRAL COMPORTANT LES THERMO-ELEMENTS 4, 5, UNE POSSIBILITE DE COMPRESSION ELASTIQUE PERMANENTE SUPPRIMANT LES RISQUES DE FRACTURE DE CES THERMO-ELEMENTS. APPLICATION AU CHAUFFAGE DE L'EAU.
Description
Dispositif thermoélectrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide
L'invention concerne un dispositif thermoélectrique de trans-fert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide. Elle s'applique plus particulièrement au cas où il s'agit de transférer la chaleur d'un flux d'air vers un flux d'eau, c'est-à-dire de réaliser une pompe à chaleur air-eau.
L'invention concerne un dispositif thermoélectrique de trans-fert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide. Elle s'applique plus particulièrement au cas où il s'agit de transférer la chaleur d'un flux d'air vers un flux d'eau, c'est-à-dire de réaliser une pompe à chaleur air-eau.
De manière générale on sait qu'un dispositif thermoélectrique comporte des thermoéléments (pastilles thermoélectriques) montés entre des conducteurs thermiques qui sont incorporés les uns dans des échangeurs chauds parcourus par un fluide chaud et les autres dans des échangeurs froids parcourus par un fluide froid.
Les thermoéléments sont de deux types, à savoir les thermoéléments de type P, qui transfèrent la chaleur dans le sens du courant électrique, et les thermoéléments de type N, qui la transfèrent dans le sens inverse du courant électrique. Ils permettent de maintenir les conducteurs thermiques à des températures différentes en vue de chauffer ou de refroidir un fluide par rapport à l'autre en faisant circuler un courant électrique continu dans les thermoéléments. Dans le cas d'une pompe à chaleur la chaleur est prélevée par les thermoéléments sur les échangeurs froids et elle est transférée aux échangeurs chauds.
Des dispositifs thermoélectriques connus sont constitués sous la forme de piles d'échangeurs alternativement chauds et froids dont les conducteurs thermiques électriquement conducteurs sont séparés par des thermoéléments alternativement de types P et N, le courant électrique circulant selon l'axe de la pile, qui est verticale par exemple. Ces piles verticales sont disposées cote à côte en une ou plusieurs rangées de manière à constituer un ensemble d'allure parallélépipédique.
La structure mécanique de la pile est prévue pour concilier les impératifs d'étanchéité concernant les circuits de fluide avec la présence de dilatations thermiques différentielles. La réalisation de cette structure est rendue particulièrement délicate par le fait que les thermoéléments connus à base de tellurure de bismuth sont extrênzment fragiles.
Un dispositif connu est par exemple décrit dans le brevet français n0 2.452.797 correspondant à la demande américaine-
n0 133748 (Berthet et al.).
n0 133748 (Berthet et al.).
Ce dispositif connu comporte - un circuit de gaz pour l'écoulement d'un flux gazeux selon une direction "axiale" - un circuit de liquide pour l'écoulement d'un flux liquide selon généralement la même direction - et au moins une pile présentant un axe parallèle à cette même direction.
Cette pile est constituée d'une succession d'éléments superposés selon cette direction en formant de manière répétée une même séquence, chaque séquence étant un "étage" de la pile et comportant notamment un empilement central occupant la hauteur de l'étage et constitué de quatre éléments superposés centrés sur l'axe de la pile, ces quatre éléments étant - un thermoélément d'un premier type de conductivité électrique, - un conducteur thermique d'un premier type électriquement conducteur, - un thermoélément du deuxième type de conductivité opposé au premier - et un conducteur thermique d'un deuxième type électriquement conducteur, - tous ces éléments de tous ces étages étant connectés électriquement en série.
Chaque conducteur thermique du deuxième type constitueune une partie d'un échangeur thermique à liquide parcouru par le flux liquide.
Chaque conducteur thermique du premier type est muni de plusieurs bras de liaison thermiquement conducteurs s'étendant selon une direction "transversale" dans les deux sens opposés chacun jusqu'à une joue thermiquement conductrice disposée à dis tance de l'axe de pile au-delà de l'échangeur thermique à liquide et s'étendant selon la direction axiale sur sensiblement une hauteur d'étage, et selon une direction "longitudinale" - chacune de ces joues étant munie d'ailettes "à gaz" thermiquement conductrices disposées dans le flux gazeux, de manière que l'ensemble du conducteur du premier type, de son bras de liaison, de cette joue et de ces ailettes à gaz constitue un échangeur thermique à gaz, - les joues des étages successifs étant superposées selon la direction d'écoulement en étant séparées par des cales électriquement isolantes.
Des moyens de compression tels que des tirants sont disposés pour serrer les joues des étages successifs les unes contre les autres selon la direction axiale de manière que lten- semble de ces joues disposées de part et d'autre de l'axe de la pile et solidarisées par les bras de liaison constituent des étages d'une colonne de maintien assurant la rigidité de la pile.
La pile comporte enfin des connexions électriques à ses deux extrémités pour faire passer un courant en série à travers tous les thermoéléments et conducteurs thermiques.
Ce dispositif connu présente l'inconvénient de devenir relativement coûteux et volumineux quand on l'adapte au cas où il faut transférer de la chaleur d'un flux d'air à un flux d'eau.
La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif thermoélectrique de transfert de chaleur présentant un encombrement et un coût petits dans le cas d'un transfert de chaleur du gaz vers le liquide, et ne risquant pas d'être détérioré par les dilatations thermiques différentielles.
Elle a pour objet un dispositif thermoélectrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide, ce dispositif comportant - un circuit de gaz pour l'écoulement du flux gazeux selon une direction axiale, - un circuit de liquide pour l'écoulement du flux liquide selon généralement la même direction, - et au moins une pile présentant un axe parallèle à cette même direction, cette pile étant constituée d'une succession d'éléments superposés selon cette direction en formant de manière répétée une même séquence, chaque séquence étant un "étage" de la pile et comportant notamment un empilement central occupant la hauteur de l'étage et constitué de quatre éléments superposés centrés sur l'axe de la pile, ces quatre éléments étant - un thermoélément d'un premier type de conductivité électrique, - un conducteur thermique d'un premier type électriquement conducteur, - un thermoélément du deuxième type de conductivité opposé au premier, - et un conducteur thermique d'un deuxième type électriquement conducteur, - tous ces éléments de tous ces étages étant connectés électriquement en série, - chaque conducteur thermique du deuxième type constituant une partie d'un échangeur thermique à liquide parcouru par le flux liquide, - chaque conducteur thermique du premier type étant -muni de plusieurs bras de liaison thermiquement conducteurs s'étendant selon une direction "transversale" dans les deux sens opposés chacun jusqu'à une joue thermiquement conductrice disposée à distance de l'axe de pile au-delà de l'échangeur thermique à liquide et s'étendant selon la direction axiale sur sensiblement une hauteur d'étage, et selon une direction "longitudinale", - chacune de ces joues étant munie d'ailettes xà gaz" thermiquement conductrices disposées dans le flux gazeux, de manière que l'ensemble du conducteur du premier type, de ses bras de liaison, de cette Joue et de ces ailettes à gaz constitue un échangeur thermique à gaz, - les joues des étages successifs étant superposées selon la direction d'écoulement en étant séparées par des cales électriquement isolantes, - la pile comportant en outre des moyens de compression pour serrer les Joues des étages successifs les unes contre les autres selon la direction axiale de manière que l'ensemble de ces joues superposées et solidarisées de part et d'autre de l'axe de la pile par les bras de liaison constituent une colonne de maintien assurant la rigidité de la pile, - la pile comportant enfin des connexions électriques à ses deux extrémités pour faire passer un courant en série à travers tous les thermoéléments et conducteurs thermiques, et pour que le passage de ce courant dans ces thermoéléments assurent un transfert de chaleur entre les échangeurs thermiques à gaz et à liquide, - le dispositif étant caractérisé par le fait que chaque échangeur thermique à air comporte, de chaque côté de l'axe de la pile, deux bras de liaison dont l'un au moins est constitué à l'aide d'une lame flexible, ces deux bras s'étendant selon les directions transversales et longitudinales, étant superposés selon la direction axiale et se raccordant à une même joue, - le conducteur thermique de l'échangeur à gaz étant constitué de deux parties séparées assurant chacune le contact électrique et thermique avec un thermoélément, ces deux parties -étant superposées selon la direction axiale, - un intervalle étant ménagé entre ces deux bras de liaison et entre ces deux parties de conducteur thermique de manière à permettre à ces deux parties de se rapprocher ou de s'écarter l'une de l'autre selon la direction axiale par flexion élastique de la lame flexible, - les hauteurs des joues et des cales selon la direction axiale étant choisies pour que les moyens de compression de la pile provoquent un rapprochement élastique des deux parties de conducteur thermique de chaque échangeur à gaz et assurent ainsi le maintien élastique des thermoéléments en compression lors des dilatations thermiques différentielles apparaissant pendant le fonctionnement du dispositif.
A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-apres, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les memes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
La figure 1 représente une vue en perspective éclatée d'un échangeur à air et d'un échangeur à eau d'un dispositif selon l'invention.
La figure 2 représente une vue de dessus de cet échangeur à eau.
La figure 3 représente une vue en coupe partielle du même.
échangeur selon la ligne III-III de la figure 2
Les figures 4 et 5 représentent respectivement en coupe partielle, une vue de profil et une vue de face d'une pile du dispositif de la figure 1, les plans de coupe passant par l'axe de la pile.
Les figures 4 et 5 représentent respectivement en coupe partielle, une vue de profil et une vue de face d'une pile du dispositif de la figure 1, les plans de coupe passant par l'axe de la pile.
la figure 6 représente une vue en coupe horizontale de la même pile selon une ligne VI-VI de la figure 4.
La figure 7 représente une vue en coupe horizontale de la même pile selon une ligne VII-VII de la figure 4, le plan de coupe passant par des cales isolantes séparant deux échangeurs à air.
La figure 8 représente une vue partielle en élévation partiellement coupée d'une rangée de piles du même dispositif.
Le dispositif décrit fonctionne thermiquement entre un pre mier fluide, gazeux, qui est l'air et un deuxième fluide, liquide qui est l'eau. L'eau constitue la source chaude et est chauffée grâce au refroidissement de la source froide constituée par l'air, c'est-à-dire que le dispositif constitue une pompe à chaleur air-eau. Cette pompe comporte une rangée de piles telles que Pi, P2, P3... Pn comportant chacune un empilement central de thermoéléments et de conducteurs thermiques faisant partie d'échangeurs thermiques d'un premier type, à air et d'un deuxième type à eau.Chaque pile s'élève selon une direction verticale OZ, la rangée s' étendant selon une direction horizontale "longitudinale" OY que l'on considérera par exemple comme allant d'avant en arrière, la troisième direction OX étant appelée "transversale".
Les éléments qui composent la pile n'ont pas tous les mêmes dimensions horizontales, celles des thermoéléments 4, 5 étant notamment beaucoup plus petites que celles des échangeurs thermiques, l'axe 21 de la pile étant une ligne verticale passant par les centres de tous les thermoéléments de la pile. Les échangeurs thermiques à air sont les plus larges. Ils comportent chacun une partie qui est située entre les thermoéléments. C'est cette partie incluse dans l'empilement central qui constitue un conducteur thermique du premier type précédemment mentionne.
Chaque étage de la pile comporte un conducteur thermique du premier type faisant partie d'un échangeur thermique à air, un thermoélément d'un premier type P ou N, un conducteur thermique du deuxième type constituant un échangeur thermique à eau et un thermoélément d'un deuxième type opposé au premier.
Trois circuits sont connectés à ces piles à savoir un circuit électrique, et un premier et un deuxième circuits de fluides qui sont un circuit d'air et un circuit d'eau.
Le circuit électrique est destiné à aire traverser les thermoéléments par un courant électrique dirigé selon OZ, par exemple, pour les piles de rang pair telles que P2, et selon ZO pour les piles de rang impair telles que P1 et P3. Ces piles sont alimentées successivement en série à partir de deux bornes disposées chacune à une extrémité convenable de l'une des deux piles situées aux deux extrémités de la rangée. Une telle connexion en série permet d'obtenir une impédance acceptable de la pompe chaleur malgré la faible impédance de chaque pile. Les connexions entre piles sont réalisées par des barrettes 20 disposées alternativement en partie basse et en partie haute.
L'ensemble des circuits d'air de la rangée de piles est essentiellement constitué par deux conduits d'air verticaux formant deux nappes d'air symétriques à gauche et à droite de la rangée et limités extérieurement par un capot non représenté enfermant le dispositif. Tout le volume du conduit est occupé par un ensemble de blocs d'ailettes constitués chacun par des ailettes verticales 3 réunies par un fut 3a et présentant une grande surface d'échange thermique avec l'air, comme connu.
Chacun de ces blocs fait partie d'un échangeur thermique comportant un conducteur thermique à air de la pile. Ces blocs se succèdent verticalement en regard d'une pile, et horizontalement d'avant en arrière, en regard des piles successives de la rangée.
Ils sont constitués d'un métal bon conducteur thermique tel que l'aluminium. Ils sont fixés à des "joues" verticales 1 par soudure. Pour éviter de créer des courts circuits électriques, ces joues sont séparées les unes des autres par des cales isolantes 44. La paroi interne du conduit d'air est constituée par ces joues.
Quant au circuit d'eau il est disposé, pour chaque pile, entre les joues 1, de meme que# l'empilement central comportant les thermoéléments.
On va préciser ci-après quels sont les éléments représentés par les divers numéros de référence utilisés sur les figures i : Joues latérales verticales des échangeurs à air. Elles
supportent la compression de la pile et délimitent chaque
canal d'air d'un côté.
supportent la compression de la pile et délimitent chaque
canal d'air d'un côté.
2a Lame élastique constituant deux bras de liaison 2c et 2d
d'un échangeur à air. Elle est constituée d'un métal bon
conducteur de la chaleur et de l'électricité et destinée à
transmettre la chaleur d'une pastille thermoélectrique aux
joues, pui#s aux ailettes de l'échangeur et à se déformer
élastiquement sous les contraintes de fonctionnement. Elle
comporte un bossage 2e sur lequel est brasée une pastille
thermoélectrique 4.
d'un échangeur à air. Elle est constituée d'un métal bon
conducteur de la chaleur et de l'électricité et destinée à
transmettre la chaleur d'une pastille thermoélectrique aux
joues, pui#s aux ailettes de l'échangeur et à se déformer
élastiquement sous les contraintes de fonctionnement. Elle
comporte un bossage 2e sur lequel est brasée une pastille
thermoélectrique 4.
2b Lame élastique symétrique de la lame 2a et formant deux
bras 2f et 2g avec un bossage 2h.
bras 2f et 2g avec un bossage 2h.
3 Ailettes d'échange avec l'air, en aluminium nickelé,
formées sur un fût 3a, l'ensemble étant rapporté sur les
joues latérales par brasage tendre à l'étain-plomb.
formées sur un fût 3a, l'ensemble étant rapporté sur les
joues latérales par brasage tendre à l'étain-plomb.
4 Pastille thermoélectrique de type N en tellurure de bismuth
fritté brasée sur l'axe de l'échangeur à eau et sur le
bossage de la lame élastique.
fritté brasée sur l'axe de l'échangeur à eau et sur le
bossage de la lame élastique.
5 Pastille thermoélectrique de type P en tellurure de bismuth
fritté brasée sur l'axe de 11 échangeur à eau et sur le
bossage de la lame élastique.
fritté brasée sur l'axe de 11 échangeur à eau et sur le
bossage de la lame élastique.
6 Boute à eau cylindrique d'un échangeur à eau.
6a Paroi latérale de la boite 6.
7 Axe de l'échangeur en métal bon conducteur de la chaleur
brasé dans la botte à eau.
brasé dans la botte à eau.
8 Ailettes de l'échangeur à eau destinées à améliorer
1 'échange thermique.
1 'échange thermique.
9 Cale isolante électriquement serrée entre deux échangeurs à
air du premier type.
air du premier type.
10 Tube de raccordement isolant permettant de faire circuler
l'eau d'un échangeur à eau à l'échangeur à eau suivant.
l'eau d'un échangeur à eau à l'échangeur à eau suivant.
11 Joint torique d'étanchéité en caoutchoue à l'intérieur d'un
bossage de raccordement 11a disposé sur la boive à eau 6 et
entourant le tube 10.
bossage de raccordement 11a disposé sur la boive à eau 6 et
entourant le tube 10.
12 Tube isolant des extrémités de la pile permettant dé faire
circuler l'eau des collecteurs aux échangeurs à eau.
circuler l'eau des collecteurs aux échangeurs à eau.
13 Tirants d'assemblage de la pile passant par des trous au
travers des bras élastique 2et des cales 9, maintenant la
pile sous compression et isolés électriquement par une
gaine.
travers des bras élastique 2et des cales 9, maintenant la
pile sous compression et isolés électriquement par une
gaine.
14 Ecrous constituant des organes de serrage réglables et vis
sés sur les tirants d'assemblage.
sés sur les tirants d'assemblage.
15a Collecteur d'entrée d'eau en matière isolante (résine armée
de fibres de verre).
de fibres de verre).
15b Collecteur de sortie d'eau en la même matière.
16 Jonc de montage et de centrage des pastilles thermoélec
triques et des échangeurs, en polytétrafluoréthylène.
triques et des échangeurs, en polytétrafluoréthylène.
17 Mousse d'isolation thermique en polyuréthane expansé in
situ pour isoler les échangeurs à air des échangeurs à eau.
situ pour isoler les échangeurs à air des échangeurs à eau.
Pour conserver la clarté du dessin cette mousse n'est que
très partiellement représentée (sur le seul étage inférieur
sur les figures 4 et 5).
très partiellement représentée (sur le seul étage inférieur
sur les figures 4 et 5).
18 Sens d'écoulement de l'air qui est refroidi.
19 Sens d'écoulement de 11 eau qui est chauffée.
20 Barrette de connexion 21 Axe de pile.
22 Joint d'étanchéité-entre deux collecteurs 15a successifs.
23 Tirants d'assemblage d'une rangée. Ils sont disposés selon
la direction OY et traversent les collecteurs successifs
des piles de la rangée.
la direction OY et traversent les collecteurs successifs
des piles de la rangée.
24 Entrée d'eau.
25 Sortie d'eau.
1l apparait sur les figures que, conformément à l'invention, chaque échangeur thermique à air comporte de chaque côté de l'axe 21 de la pile, deux bras de liaison 2c, 2f dont l'un au moins est constitué à l'aide d'une lame flexible 2a, ces deux bras s'étendant selon les directions transversales OX et longitudinales OY étant superposés selon la direction axiale OZ, et se raccordant à une même joue 1,
Le conducteur thermique de l'échangeur est constitué de deux parties séparées 2e, 2h assurant chacune le contact électrique et thermique avec un thermoélément 4, 5, ces deux parties étant superposées selon la direction axiale OZ,
Un intervalle est ménagé entre ces deux bras de liaison et entre ces deux parties de conducteur thermique de manière à permettre à ces deux parties de se rapprocher ou de s'écarter l'une de l'autre selon la direction axiale OZ par flexion, élastique de la lame flexible,
Les deux bras de liaison 2c, 2d s'étendant transversalement de part et d'autre de l'axe 21 de la pile à partir d'un même point de cet axe sont constitués par les deux moitiés d'une seule et même lame flexible 2a sensiblement plane s'élargissant selon la direction longitudinale OY lorsqu'on s'écarte de l'axe de la pile pour se rapprocher des joues 1.
Le conducteur thermique de l'échangeur est constitué de deux parties séparées 2e, 2h assurant chacune le contact électrique et thermique avec un thermoélément 4, 5, ces deux parties étant superposées selon la direction axiale OZ,
Un intervalle est ménagé entre ces deux bras de liaison et entre ces deux parties de conducteur thermique de manière à permettre à ces deux parties de se rapprocher ou de s'écarter l'une de l'autre selon la direction axiale OZ par flexion, élastique de la lame flexible,
Les deux bras de liaison 2c, 2d s'étendant transversalement de part et d'autre de l'axe 21 de la pile à partir d'un même point de cet axe sont constitués par les deux moitiés d'une seule et même lame flexible 2a sensiblement plane s'élargissant selon la direction longitudinale OY lorsqu'on s'écarte de l'axe de la pile pour se rapprocher des joues 1.
Les quatre bras# de liaison 2c, 2d, 2-f, 2g de chaque échangeur à air sont constitués par deux lames flexibles 2a, 2b, - chacune desdites parties du conducteur thermique 2e, 2h étant constituée par un bossage sur la face extérieure d'une de ces lames, - 1 'ensemble de l'échangeur à air étant symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de pile.
Les tirants 13 sont parallèles à l'axe de celle-ci, symétriques deux à deux par rapport à cet axe, et traversent tous les bras de liaison par des trous percés dans ces bras au voisinage des joues 1. Une plaque de transmission d'efforts 6 est disposée à chaque extrémité de la pile pour recevoir la force de compression appliquée par ces tirants et la transmettre sur les joues 1 par appui sur ces joues. Des écrous vissés sur l'extrémité des tirants constituent des organes de serrage réglables 14 pour appliquer sur ces plaques la force de compression exercée par ces tirants.
Les plaques de transmission d'effort sont constituées- par des collecteurs à liquide 15a, 15b permettant l'entrée et la sortie du flux liquide, chacun de ces coIlecteurs# se raccordant aux échangeurs à liquide de la pile selon la direction axiale OZ, et s'ouvrant à l'extérieur de la pile dans deux sens opposés OY, YO selon un même axe longitudinal de manière à permettre de former une rangée constituée de plusieurs piles Pi, P2, P3,...Pn se succédant selon la direction longitudinale, les collecteurs des piles successives se raccordant les uns aux autres pour former à chaque extrémité axiale de la rangée, un collecteur de liquide commun à toutes ces piles.
Des ailettes à gaz 3 se succèdent selon la direction transversale OX et s'étendent selon la direction longitudinale OY de part et d'autre d'un même fût 3a s'étendant selon la direction transversale jusqu'aux joues 1 des échangeurs à gaz pour constituer un bloc d'ailettes à gaz.
La hauteur axiale des blocs d'ailettes à gaz 3, 3a est la moitié de celles des joues 1, deux blocs d'ailettes se succédant sur la hauteur d'une joue, de manière à provoquer un décollement de couche limite du gaz sur les ailettes à mi hauteur de chaque échangeur à gaz.
Trois blocs d'ailettes se succèdent sur chaque joue 1 selon la direction OY.
On va maintenant décrire le circuit d'eau irrigant les échangeur à liquide montés sur les conducteurs thermiques du deuxième type. Chacun de ces derniers présente la forme d'un axe d'échangeur massif 7 s'étendant selon l'axe de la pile entre deux thermoélément. Chaque échangeur à liquide comporte en outre - des ailettes à liquide planes 8 perpendiculaire à l'axe de la pile, se succédant selon la direction axiale, et brasées sur l'axe d'échangeur, - et une paroi 6a entourant ces ailettes pour constituer une boite à eau étanche 6 pourvue d'une entrée et d'une sortie s'ouvrant axialement à distance de -l'axe de la pile selon la direction longitudinale OX de part et d'autre de cet axe sur les deux faces d'extrémités axiales de la boite. Les tubes de raccord dement 10 s'étendent axialement pour raccorder la sortie de la botte de chaque étage à l'entrée de la boite de l'étage suivant.
Les ailettes à liquide 8 ont la forme de couronnes circulaires avec leur bord extérieur au voisinage de la paroi 6a de la boite à eau 6 qui est cylindrique, et leur bord intérieur au contact de l'axe d'échangeur 7 de manière à délimiter une succession axiale de chambres internes, et à former les faces d'extrémité de la boute. Les tubes de raccordement axiaux 10 traversent ces ailettes pour pénétrer dans toutes ces chambres et s'ouvrant dans chaque chambre radialement vers l'exterieur de manière à forcer le flux liquide à parcourir en parallèle toutes ces chambres en longeant toute la surface des ailettes. Ils pénètrent dans les boites à eau 6 par un manchon de raccordement lia muni intérieurement d'un jpint torique 11 pour assurer l'étanchéité.
Les conducteurs thermiques 2e, 2h, 7 et les thermoéléments 4, 5 sont traversés par un jonc isolant 16 disposé selon l'axe 21 de la pile pour faciliter le montage et le centrage.
Dans une réalisation pratique les lames élastiques 2a et 2b peuvent être constituées de cuivre pur.
Ce matériau présente en effet une élasticité suffisante alliée à une excellente conductivité thermique. Ces lames peuvent présenter une longueur entre joues de 80mm, une largeur variant de 30mm, près de l'axe de la pile jusqu'à 60mm, près des joues, et une épaisseur de 3mm. Les deux lames d'un même échangeur à air peuvent être séparées par un intervalle de 13mu. La hauteur d'un étage peut être de 50mm. Le diamètre des thermoéléments, des bossages des échangeurs à air, et des axes des échangeurs à eau peut être de 15mm. Ces axes peuvent être constitués d'aluminium nickelé, le reste de l'échangeur à eau étant constitué de cuivre.
Les dimensions des divers éléments peuvent être choisies pour assurer, avant le fonctionnement du dispositif, une compression élastique de 0,05% de la hauteur de l'empilement central.
La puissance thermique apportée à l'eau peut être par exemple de 19W par étage de pile, la puissance empruntée à l'air étant de 6,4 W.
Les avantages de la présente invention tiennent au fait qu'elle permet d'obtenir à la fois plusieurs résultats - Forte puissance d'échange thermique avec l'air, quoique cette puissance passe à travers des lames élastiques.
- Puissance plus forte encore d'échange thermique avec l'eau, quoique cet échange doive se faire dans le volume disponible entre les joues en consentant les intervalles nécessaires à l'isolement thermique entre échangeurs de types différents.
- Faible encombrement malgré l-es fortes puissances transférée.
- Fiabilité grâce au maintien des thermoéléments en compression permanente même en présence de frottements s'opposant au libre jeu des dilatations thermiques, et grâce à la rigidité de la colonne de maintien entourant l'empilement central.
- Faible coût grâce à la simplicité de montage.
Claims (10)
1/ Dispositif thermoélectrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide, ce dispositif comportant - un circuit de gaz pour l'écoulement du flux gazeux selon une direction "axiale" (OZ), - un circuit de liquide pour l'écoulement du flux liquide selon généralement la même direction, - et au moins une pile (Pi) présentant un axe (21) parallèle à cette même direction, cette pile étant constituée d'une succession d'éléments superposés selon cette direction en formant de manière répétée une même séquence, chaque séquence étant un "étage" de la pile et comportant notamment un empilement central occupant la hauteur de l'étage et constitué de quatre éléments superposés centrés sur l'axe de la pile, ces quatre éléments étant - un thermoélément (4) d'un premier type de conductivité électrique, - un conducteur thermique (2e, 2h) d'un premier type électriques ment conducteur, un un thermoélément (5) du deuxième type de conductivité opposé au premier, - et un conducteur thermique (7) d'un deuxième type électriquement conducteur, - tous ces éléments de tous ces étages étant connectés électriquement en série, - chaque conducteur thermique du deuxième type constituant une partie d'un échangeur thermique à liquide parcouru par le flux liquide, - chaque conducteur thermique du premier type étant muni de plusieurs bras de liaison (2c, -2d) thermiquement conducteurs s'étendant selon une direction "transversale" (OX) dans les deux sens opposés (OX, XO) chacun jusqu'à une joue thermiquement conductrice (1) disposée à distance de l'axe de pile au-delà de ltéchan- geur thermique à liquide et s'étendant selon la direction axiale (OZ) sur sensiblement une hauteur d'étage, et selon une direction longitudinale (OY), - chacune de ces joues (1) étant munie d'ailettes "à gaz" (3) thermiquement conductrices disposées dans le flux gazeux, de manière que l'ensemble du conducteur du premier type, de ses bras de liaison, de cette joue et de ces ailettes à gaz constitue un échangeur thermique à gaz, - les joues (1) des étages successifs étant superposées selon la direction d'écoulement (OZ) en étant séparées par des cales (9) électriquement isolantes, - la pile comportant en outre des moyens de compression (13) pour serrer les joues (1) des étages successifs les unes contre les autres selon la direction axiale (OZ), de manière que l'ensemble de ces joues superposées et solidarisëes de part et d'autre de l'axe de la pile par les bras de liaison (2c, 2d) constitue une colonne de maintien assurant la rigidité de la pile, - la pile comportant enfin des connexions électriques (20) à ses deux extrémités pour faire passer un courant en série à travers tous les thermoéléments et conducteurs thermiques, et pour que le passage de ce courant dans ces thermoéléments assure un transfert de chaleur entre les échangeurs thermiques à gaz et à liquide, - le dispositif étant caractérisé par le fait que chaque échangeur thermique à air comporte de chaque côté de l'axe (21) de la pile, deux bras de liaison (2c, 2f) dont l'un au moins est constitué à l'aide d'une lame flexible (2a), ces deux bras s'étendant selon les directions transversales (OX) et longitudi- nales (OY), étant superposés selon la direction axiale (OZ), et se raccordant à une même joue (1), - le conducteur thermique de l'échangeur à gaz étant constitué de deux parties séparées (2e, 2h) assurant chacune le contact électrique et thermique avec un thermoélément (4, 5), ces deux parties étant superposées selon la direction axiale (OZ), - un intervalle étant ménagé entre ces deux bras de liaison et entre ces deux parties de conducteur thermique de manière à permettre à ces deux parties de se rapprocher ou de s'écarter l'une de l'autre selon la direction axiale (OZ) par flexion élastique de la lame flexible, - les hauteurs des joues (1) et des cales (9) selon la direction axiale étant choisies pour que les moyens -(13, 15a, 15b, 14) de compression de la pile provoquent un rapprochement élastique des deux parties de conducteur thermique de chaque é#changeur à gaz et assurent ainsi le maintien élastique des thermoéléments en compression lors des dilatations thermiques différentielles apparaissant pendant le fonctionnement du dispositif.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caraotérisé par le fait que deux bras de liaison (2c, 2d) s'étendant transversalement de part et d'autre de l'axe (21) de la pile à partir d'un même point de cet axe sont constitués par les deux moitiés d'une seule et même lame flexible (2a) sensiblement plane s'élargissant selon la direction longitudinale (OY) lorsqu'on s'écarte de l'axe de la pile pour se rapprocher des joues < i).
3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les quatre bras de liaison (2c, 2d, 2f, 2g) de chaque échangeur à air sont constitués par deux lames flexibles (2a, 2b), - chacune desdites parties du conducteur thermique (2e, 2h)- étant constituée par un bossage sur la face extérieure d'une de ces lames, - l'ensemble de l'échangeur a air étant symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de pile.
4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens de compression de la pile comportent - des tirants (13) parallèles à l'axe de celle-ci, symétriques deux à deux par rapport à cet axe, et traversant tous les bras de liaison par des trous percés dans ces bras au voisinage des joues (1), - une plaque de transmission d'efforts (6) disposée chaque extrémité de la pile pour recevoir la force de compression appliquée par ces tirants et la transmettre sur les joues (1) par appui sur ces joues, - et des organes de serrage réglables (14) pour appliquer sur ces plaques la force de compression exercée par ces tirants.
5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les plaques de transmission d'effort sont constituées par des collecteurs à liquide (15a, 15b) permettant l'entrée et la sortie du flux liquide, chacun de ces collecteurs raccordant aux échangeurs à liquide de la pile selon la direction axiale (OZ), et s'ouvrant à 11 extérieur de la pile dans deux sens opposés (OY, YO) selon un même axe longitudinal de manière à permettre de former une rangée constituée de plusieurs piles (P1, P2, P3,...Pn) se succédant selon la direction longitudinale, les collecteurs des piles successives se raccordant les uns aux autres pour former à chaque extrémité axiale de la rangée un collecteur de liquide commun à toutes ces piles.
6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des ailettes à gaz (3) se succèdent selon la direction transversales (OX) et s'étendent selon la direction longitudinale (GY) de part et d'autre d'un même fût (3a). s'étendant selon la direction transversale jusqu'aulx joues (t) des échangeurs à gaz pour constituer un bloc d'ailettes à gaz.
7/ Dispositif selon la revendication 3, caractérise par le fait que la hauteur axiale des blocs d'ailettes à gaz (3, 3a} est la moitié de celles des joues (1), deux blocs d'ailettes se succedant sur la hauteur d'une joue, de manière à provoquer un décollement de couche limite du gaz sur les ailettes à mi hauteur de chaque échangeur à gaz.
8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que plusieurs blocs d'ailettes à gaz (3, 3a) se succèdent sur chaque joue (1) selon la direction longitudinale (OY).
9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun des conducteurs thermiques du deuxième type présente la forme d'un axe d'échangeur massif (7) s'étendant selon l'axe de la pile entre deux thermoéléments, - chaque échangeur à liquide comportant en outre - des ailettes à liquide planes (8) perpendiculaire à l'axe de la pile, se succédant selon la direction axiale, et brasées sur l'axe d'échangeur, - et une paroi (6a) entourant ces ailettes pour constituer une botte à eau étanche (6) pourvue d'une entrée et d'une sortie s'ouvrant axialement à distance de l'axe de la pile selon la direction longitudinale (OX) de part et d1 autre de cet axe sur les deux faces d'extrémités axiales de la boite, - des tubes de raccordement électriquement isolants (10) s'étendant axialement pour raccorder la sortie de la boIte de chaque étage à l'entrée de la boîte de l'étage suivant, 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les ailettes- à liquide (8) ont la forme de couronnes circulaires avec leur bord extérieur au voisinage de la paroi (6a) de la boîte à eau (6) qui est cylindrique, et leur bord intérieini au contact de l'axe d'échangeur (7), de manière à délimiter une succession axiale de chambres internes, et à former les faces d'extrémité de la boîte, - les tubes de raccordement axiaux (10) traversant ces ailettes pour pénétrer dans toutes ces chambres et s'ouvrant dans chaque chambre radialement vers l'extérieur de manière à forcer le flux liquide à parcourir en parallèle toutes ces chambres en longeant toute la surface des ailettes.
11/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les tubes de raccordement (10) pénètrent dans les boîtes à eau (6) par un manchon de raccordement (lia) muni intérieurement d'un Joint torique (il) pour assurer l'étanchéité.
-12/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les conducteurs thermiques (2e, 2h, 7) et les thermoéléments (4, 5) sont traversés par un jonc isolant (16) disposé selon l'axe (21) de la pile pour faciliter le montage et le centrage.
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|---|---|---|---|
| FR8118850A FR2514202A1 (fr) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | Dispositif thermo-electrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide |
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| FR8118850A FR2514202A1 (fr) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | Dispositif thermo-electrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide |
Publications (2)
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| FR2514202A1 true FR2514202A1 (fr) | 1983-04-08 |
| FR2514202B1 FR2514202B1 (fr) | 1983-12-02 |
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ID=9262821
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR8118850A Granted FR2514202A1 (fr) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | Dispositif thermo-electrique de transfert de chaleur entre un flux gazeux et un flux liquide |
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|---|---|
| FR (1) | FR2514202A1 (fr) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0017083A1 (fr) * | 1979-03-26 | 1980-10-15 | COMPAGNIE EUROPEENNE POUR L'EQUIPEMENT MENAGER "CEPEM" Société anonyme dite: | Dispositif thermoélectrique à transfert de chaleur entre deux fluides |
-
1981
- 1981-10-07 FR FR8118850A patent/FR2514202A1/fr active Granted
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| EP0017083A1 (fr) * | 1979-03-26 | 1980-10-15 | COMPAGNIE EUROPEENNE POUR L'EQUIPEMENT MENAGER "CEPEM" Société anonyme dite: | Dispositif thermoélectrique à transfert de chaleur entre deux fluides |
| FR2452797A1 (fr) * | 1979-03-26 | 1980-10-24 | Cepem | Dispositif thermoelectrique a transfert de chaleur entre deux fluides |
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|---|---|
| FR2514202B1 (fr) | 1983-12-02 |
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