FR2799886A1 - Generateur thermoelectrique et ses moyens de fabrication - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un générateur thermoélectrique pour l'alimentation d'un appareil électrique ou électronique (14), et des moyens de fabrication de ce générateur, celui-ci étant formé de plusieurs ensembles (10) reliés en parallèle et comprenant chacun une pluralité de thermocouples reliés en série, pour une adaptation d'impédance entre le générateur et l'appareil (14) et une augmentation de la tension et de la puissance électriques d'alimentation de l'appareil (14).
Description
<B>Générateur</B> thermoélectrique <B>et ses moyens</B> <B>fabrication</B> L'invention concerne un générateur thermoélectrique pour l'alimentation d'un appareil électrique ou électronique à partir d'une source de chaleur et des moyens de fabrication ce générateur.
De façon connue, un générateur thermoélectrique comprend une pluralité de thermocouples reliés en série, qui sont formés de fils électriquement conducteurs de deux natures différentes reliés deux à deux et dont les jonctions sont soumises à une différence de température régnant entre une source chaude et une source froide. La force électromotrice produite aux bornes du générateur dépend de cette différence de température et du nombre de thermocouples reliés en série.
Lorsqu'on utilise un tel générateur pour alimenter un appareil électrique ou électronique, on constate en général que la tension d'alimentation aux bornes de l'appareil est très inférieure à celle que l'on attendait, en raison d'un défaut d'adaptation d'impédance entre le générateur et l'appareil.
Pour résoudre ce problème, on est amené à diminuer la résistance électrique interne du générateur et pour cela à augmenter le diamètre des fils utilisés, la résistance électrique de ces fils étant inversement proportionnelle à leur section.
Les résultats obtenus ne sont toutefois pas satisfaisants, car l'augmentation de la section des fils a pour effet de diminuer leur résistance thermique, avec pour résultat une diminution de la tension électrique générée (le phénomène étant équivalent à une diminution de la différence de température entre les jonctions chaudes et les jonctions froides des fils), de soue que l'on perd sur la résistance thermique des fi_s ce que l'on a gagné sur leur résistance électrique.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple et efficace à ce problème.
Elle propose à cet effet un générateur thermoélectrique pour l'alimentation un appareil électrique ou électronique à partir d' source de chaleur, comprenant une pluralité de thermocouples formés de fils électroconducteurs de deux natures différentes reliés en série et soumis à une différence de température régnant entre source de chaleur et une source froide, caractérisé ce qu'il comprend plusieurs ensembles de thermocouples, lesdits ensembles étant reliés en parallele et chacun étant formé de thermocouples reliés série et soumis à la différence de température précitée.
La mise en parallèle des ensembles de thermocouples permet de réduire fortement la résistance électrique interne du générateur, tout en utilisant pour les thermocouples des fils ayant une résistance thermique relativement élevée. Si chaque ensemble de thermocouples comprend un même nombre de thermocouples et a la même résistance électrique que les autres ensembles, la résistance électrique du générateur est égale à la résistance électrique d'un ensemble de thermocouples divisée par le nombre d'ensembles.
on peut ainsi diminuer la résistance interne du générateur pour l'adapter à celle de l'appareil à alimenter, tout en utilisant au mieux la différence de température à laquelle sont soumis les thermocouples, ce qui permet de disposer d'une puissance électrique utile beaucoup plus élevée que celle que l'on obtiendrait avec un seul ensemble de thermocouples reliés en série. En augmentant 1e nombre de thermocouples, on augmente aussi les surfaces d'échange du générateur avec la source de chaleur et la source froide, ce qui permet de mieux utiliser la différence de température entre deux sources. On peut encore augmenter le rendement du générateur selon l'invention en associant les thermocouples à des radiateurs ou autres moyens permettant d'améliorer le transfert thermique des thermocouples avec la source de chaleur et/ou avec la source froide, respectivement.
Une des caractéristique du générateur selon l'invention étant qu'il comprend un nombre de thermocouples qui est un multiple de celui d'un générateur équivalent de la technique antérieure, un autre but de l'invention est de proposer moyens permettant de fabriquer des ensembles de thermocouples en grande série et à cadence élevée.
L'invention concerne donc également un dispositif de fabrication d'un générateur thermoélectrique comprenant une pluralite de thermocouples reliés en série, ce dispositif comprenant des moyens d'amenée de fils électroconducteurs de deux natures différentes, des moyens de coupe de ces fils en tronçons de longueur prédéterminée, et des moyens de soudure ces tronçons de fil, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens pour former une succession de tronçons de fil alignés bout à bout et dans laquelle les tronçons d'un premier fil sont en alternance avec les tronçons d'un second fil, les moyens précités de soudure pour souder bout à bout ces tronçons de fil dans ladite succession et former un fil continu, et des moyens de configuration de ce fil continu pour former un ensemble de thermocouples reliés en série et dans -lequel les jonctions des tronçons de fil sont d'un cô_é et de l'autre respectivement dudit ensemble.
Le fil continu ainsi obtenu, formé d'une alternance de tronçons de fil de deux natures différentes, peut être configuré par bobinage sur des moyens de support en matière approprié résistant à la température de la source de chaleur, ou bien par tissage, le fil continu étant utilisé comme de trame dans une chaîne formée de fils électriquement isolants tels par exemple que des fils de fibre de verre.
Avantageusement, ce dispositif de fabrication comprend également des moyens pour déposer un revêtement superficiel diélectrique sur fil continu, avant sa configuration par bobinage par tissage.
De plus, les moyens d'amenée des fils électroconducteurs peuvent également comprendre des filières alimentées par des bobines de ou analogues et permettant de donner aux fils un diamètre prédéterminé, adapté à l'utilisation envisagée du générateur thermoélectrique.
Dans une variante de réalisation de l'invention, le dispositif de fabrication comprend des moyens d'amenée de fils électroconducteurs de deux natures différentes et des moyens de soudure de ces fils, et est caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de tissage des fils électroconducteurs précités, ces fils étant parallèles et disposes en alternance pour former la chaîne du tissage, les fils de trame comprenant pour l'essentiel des fils de matière diélectrique et, à des intervalles prédéterminés, un fil électroconducteur d'une des deux natures précitées, lesdits moyens de soudure étant commandés pour souder ces fils de trame électroconducteurs sur les fils de chaîne et couper ces fils électroconducteurs entre certains des fils de chaîne et des moyens de coupe des fils chaîne pour former des ensembles de thermocouples reliés en série.
De façon générale, l'invention permet d'augmenter très fortement le rendement d'un générateur thermoélectrique du type précite, et de produire ce générateur en grande série et à cadence élevée. L'invention sera mieux comprise et autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un générateur thermoélectrique alimentant un appareil électrique ; - la figure 2 illustre l'alimentation électrique d'un appareil au moyen d'un générateur selon l'invention ; - les figures 3 et 4 representent schématiquement des moyens de fabrication d'un générateur selon l'invention ; - la figure 5 est une vue partielle de dessus d'un autre mode de réalisation d'un générateur selon l'invention ; et - la figure 6 est une vue partielle coupe axiale de ce générateur.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente schématiquement un genérateur thermoélectrique 10 relié aux bornes d'alimentation 12 d'un appareil électrique ou électronique 14 pour l'alimenter en énergie électrique.
De façon bien connue de l'homme du métier, le générateur 10 comprend une pluralité de tronçons de fils électroconducteurs alternés de deux natures différentes, qui sont reliés en série pour former une boucle ouverte dont les extrémités sont destinées à être connectées aux bornes 12 d'alimentation de l'appareil 14, les jonctions des tronçons de fils étant réparties une sur deux sur une face 16 du générateur 10 et les autres sur la face opposée générateur. Quand la face 16 est en contact avec source de chaleur SC et que la face opposée 18 est en contact avec une source froide SF, il apparaît aux extrémités de la boucle ouverte formée par les tronçons de fils réunis entre eux, une force électromotrice qui est fonction du nombre de jonctions sur les faces 16 et 18 et de la différence entre les températures des jonctions sur la face 16 et les températures des jonctions sur la face opposée 18 du générateur.
Si on appelle Uc la tension aux bornes 12 de l'appareil 14 connecté au générateur 10 et Rc l'impédance interne de l'appareil 14, la puissance électrique Pc d'alimentation de l'appareil 14 est donnée par la formule <B>PC</B> =Uc2/Rc.
Si Rg est l'impédance interne du générateur et Uo sa force électromotrice (à vide) quand il soumis à la différence de température entre la source de chaleur et la source froide, on a
On comprend que la tension et la puissance électrique d'alimentation de l'appareil 14 tendent vers des valeurs limites maximales quand 'impédance interne du générateur tend vers zéro qu'elles diminuent au fur et à mesure que l'impédance interne du générateur augmente.
On comprend que la tension et la puissance électrique d'alimentation de l'appareil 14 tendent vers des valeurs limites maximales quand 'impédance interne du générateur tend vers zéro qu'elles diminuent au fur et à mesure que l'impédance interne du générateur augmente.
Dans le cas présent, le générateur 10 est formé de tronçons de fils électriquement conducteurs reliés en série à leurs extrémités et sa résistance interne est déterminée par les résistivités des tronçons de fils, leur longueur et leur diamètre. En augmentant le diamètre de ces fils et en conservant leurs autres caractéristiques, on peut réduire la résistance interne du générateur qui est inversement proportionnelle à la section des fils, c'est-à-dire au carré du diamètre des fils. Mais c'est alors la résistance thermique des fils qui diminue beaucoup et a pour conséquence une diminution importante de la force électromotrice Uo du générateur, de sorte que la tension d'alimentation et la puissance d'alimentation de l'appareil 14 n'en sont pas augmentées pour autant.
Pour résoudre ce problème, l'invention prévoit d'utiliser plusieurs générateurs 10 reliés en parallèle et soumis à une même différence de température entre une source de chaleur et une source froide, pour alimenter l'appareil 14 comme représenté schématiquement en figure 2. Si tous les générateurs 10 du circuit de la figure 2 ont une même résistance interne Rg, résistance interne totale de l'ensemble des générateurs 10 sera égale à Rg/n. Les formules ci dessus montrent qu'il en résulte une augmentation sensible de la tension et de la puissance électrique d'alimentation de l'appareil 14.
Des essais ont permis de constater que, si alimente un appareil 14 ayant une résistance interne de 16 Ohms avec un générateur comprenant 550 thermocouples en série et ayant une force électromotrice à vide d'environ 9 V quand il est soumis à une certaine différence de température, la tension électrique d'alimentation de l'appareil 14 est d'environ 1 V et la puissance électrique d'alimentation de cet appareil est d'environ 0,06 W. Si l'on remplace ce générateur par un ensemble de trois autres générateurs montés en parallèle et comprenant chacun environ 184 thermocouples, sans modifier les autres paramètres de l'essai, la force électromotrice à vide de chaque générateur d'environ 3 V, mais la tension électrique d'alimentation de l'appareil 14 passe à 1,5 V environ et sa puissance électrique d'alimentation à 0,15 W Pour l'alimentation d'un appareil électrique électronique par effet thermoélectrique, il est donc particulièrement avantageux de relier en parallèle des ensembles de thermocouples dont chacun est formé de thermocouples reliés en série et est soumis à même différence de température que les autres.
On peut bien entendu augmenter assez fortement la tension et la puissance électrique d'alimentation de l'appareil 14 quand on augmente le nombre de thermocouples dans chaque ensemble et le nombre d'ensembles montés en parallèle. Cela a toutefois pour conséquence une augmentation très importante du nombre de thermocouples utilisés dans un générateur thermoélectrique et impose de disposer de moyens permettant une fabrication des thermocouples en grande série et à cadence élevée.
Un mode de réalisation actuellement préféré de ces moyens de fabrication est représenté schématiquement en figure 3 et comprend des bobines 20 d'alimentation de deux fils électroconducteurs de nature différente, des filières 22 dans lesquelles passent les fils 24 déroulés des bobines les filières 22 permettant de donner un diamètre prédéterminé aux fils 24, et des moyens 26 de coupe des fils 24 sortant des filières 22 en tronçons 28 de longueur prédéterminée. Ces tronçons sont mis bout à bout en alternance dans un dispositif de guidage 30 mobile transversalement, comme indiqué par les flèches, entre la sortie des moyens de coupe 26 d'un fil 24 et la sortie des moyens de coupe 26 de l'autre fil 24. Les tronçons de fils 28 alignés sont poussés bout à bout dans le dispositif 30 et soudés entre eux par des moyens de soudure 32, par exemple à faisceau laser piloté par un système de traitement de l'information, les jonctions soudées des tronçons de fils étant désignées par les références 34.
On obtient ainsi, en sortie des moyens de soudure 32, un fil continu 36 formé d'une succession de tronçons alternés de fils de deux natures différentes. Des moyens 38 sont prévus dans la chaîne de fabrication pour déposer sur le fil 36 un revêtement diélectrique, par exemple un film de vernis résistant aux températures élevées, une couche d'oxyde, ou tout autre revêtement approprié.
Le fil continu 36 sortant des moyens 38 d'isolation électrique peut être utilisé de diverses façons, par exemple par tissage comme représenté schématiquement en figure 4 ou par bobinage sur un ou plusieurs supports comme représenté schematiquement aux figures 5 et 6. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le fil continu 36 est par exemple déroulé d'une bobine 40 et passe dans une navette 42 d'un métier à tisser pour former le fil de trame 44 d'un tissu 46 dont les fils de chaîne 48 sont en une matière diélectrique, par exemple tels des fils de fibre de verre, et sont issus d' peigne 50 alimenté en fils 48 par des moyens appropriés 52.
La largeur du tissu 46 formé sur le dispositif de la figure 4 est déterminée en fonction de la longueur des tronçons de fils 28 formant le fil continu 36, de telle sorte que les jonctions 34 se trouvent sur les deux bords longitudinaux du tissu 46, et de préférence légèrement à l'extérieur des fils de chaîne 48.
Le dispositif de la figure 4 permet de fabriquer un ensemble de thermocouples reliés en série ayant une largeur qui est celle du tissu 46 et une longueur aussi grande qu'on le souhaite.
Le tissu 46 est découpé à longueur, et chaque bout de tissu 46 peut être replié sur lui-même en zigzag pour former un ensemble de thermocouples ayant une forme sensiblement parallélèpipédique, ou enroulé sur lui-même ou autour d'un noyau pour l'obtention d'un ensemble de thermocouples de forme générale cylindrique.
En variante, et comme représenté schématiquement aux figures 5 et 6, le fil continu 36 peut être bobiné sur un ou plusieurs supports de forme quelconque en une matière résistant aux températures élevées, telle qu'une céramique par exemple. Dans l'exemple de la figure 6, on utilise deux de ces supports, qui sont des couronnes circulaires 54, 56 concentriques de diamètres différents, comportant sur leur face supérieure une série de rainures radiales 58 réparties de façon régulière sur toute la circonférence des couronnes. Le fil continu 36 est bobiné sur les couronnes 54 et 56 de façon à s'étendre dans les rainures radiales 58, les jonctions 34 se trouvant à l'extérieur de la périphérie externe de la couronne externe 54 et à l'intérieur de la périphérie interne de la couronne interne 56, comme représenté. On obtient ainsi un ensemble de thermocouples reliés en série, dont les jonctions 34 radialement internes peuvent être en contact avec une source de chaleur et les jonctions 34 radialement externes en contact avec une source froide, telle que l'atmosphère ambiante par exemple, ou inversement.
Plusieurs de ces ensembles destinés à être reliés en parallèle peuvent être axialement superposés, comme représenté schématiquement en figure 6.
Eventuellement, les deux couronnes 54, 56 de chaque ensemble peuvent faire partie d'une seule pièce annulaire 60 comme représente en traits pointillés en figure 6.
Bien entendu, les supports utilisés pour le bobinage du fil continu 36 peuvent être rectilignes au lieu d'être annulaires ou avoir toute autre forme appropriée, et les jonctions 34 du continu 36 peuvent être associées à des radiateurs ou autres moyens améliorant l'échange thermique avec la source de chaleur et/ou avec la source froide ces moyens comprenant par exemple des moyens augmentant la surface de contact des jonctions 34 avec le milieu environnant, comme schématisé à titre d'exemple par les lignes en traits pointillés 62 de la figure 5.
Le support utilisé pour le bobinage du continu 36 peut être un film, avec éventuellement face adhésive, d'une matière résistant aux températures d'utilisation, par exemple une matière plastique souple, une matière semi-rigide ou rigide, etc, les films pourvus du fil 36 bobiné pouvant être superposés et fixés entre eux par tout moyen (collage, soudure thermique ou par ultrasons, etc) pour l'obtention de circuits multicouches.
De façon générale, les techniques connues de bobinage de fil électrique utilisées pour la fabrication de transformateurs, moteurs électriques et autres, s'appliquent au bobinage du fil 36 précité sur des supports de forme quelconque (plane, cylindrique, tubulaire, sphérique, semi-sphérique ou autre). Le bobinage (et aussi le tissage) du fil 36 a également pour avantage de mettre en évidence tout défaut de soudure entre les tronçons de fil, traction exercée sur le fil provoquant sa rupture niveau de la soudure défectueuse.
Claims (1)
- REVENDICATIONS 1 - Générateur thermoélectrique pour l'alimentation d'un appareil électrique ou électronique (14) à partir d'une source de chaleur (SC), comprenant une pluralité de thermocouples formés de fils électriquement conducteurs de deux natures différentes reliés en série et soumis à une différence de température régnant entre la source chaleur (SC) et une source froide (SF),caractérisé ce qu'il comprend plusieurs ensembles (10) thermocouples, lesdits ensembles étant reliés parallèle et étant chacun formé de thermocouples reliés en série et soumis à la différence de température précitée. 2 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nombres d'ensembles (10) de thermocouples et de thermocouples dans les ensembles sont déterminés en fonction de la résistance électrique interne de l'appareil (14) et des résistances électriques des fils des thermocouples pour adapter la résistance électrique du générateur à celle de l'appareil précité (14) et pour augmenter la tension et la puissance électriques d'alimentation de cet appareil par le générateur. 3 - Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dimensions des fils des thermocouples sont déterminées pour optimiser la résistance thermique et la résistance électrique de ces fils. 4 - Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jonctions des fils formant les thermocouples sont associées à des radiateurs ou autres moyens (62) d'échange de chaleur avec la source de chaleur et/ou la source froide, respectivement. 5 - Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ensembles de thermocouples sont chacun formés à partir d'un fil continu (36) constitué de tronçons de fils de deux natures différentes reliés bout à bout, bobinage de ce fil sur des moyens de support matière résistant aux températures élevées ou par tissage de ce fil avec des fils de chaîne (48) matière diélectrique résistant aux températures élevées. 6 - Dispositif de fabrication d'un générateur thermoélectrique, comprenant des moyens ) d'amenée de fils électroconducteurs de deux natures différentes, des moyens (26) de coupe de ces fils en tronçons (28) de longueur prédéterminée et des moyens (32) de soudure de ces tronçons de fils, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de guidage (30) pour former une succession de tronçons de fils alignés et poussés bout à bout dans laquelle les tronçons du premier fil sont en alternance avec les tronçons du deuxième fil, les moyens de soudure précités (32) étant destinés à souder bout ' bout ces tronçons de fils dans ladite succession pour former un fil continu (36), et des moyens de configuration de ce fil continu pour former un ensemble de thermocouples reliés en série, dans lequel les jonctions (34) des tronçons de fil sont d' côté et de l'autre respectivement dudit ensemble. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'amenée fils (24) comprennent des filières (22) alimentées fils par des bobines (20) ou analogues et permettant de donner à ces fils un diamètre prédéterminé. 8 - Dispositif selon la revendication ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (38) pour déposer un revêtement diélectrique sur le fil continu (36) obtenu en sortie des moyens de soudure 9 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de configuration du fil continu (36) comprennent des moyens de bobinage du fil sur des moyens support (54, 56) ou des moyens (42, 50) de tissage utilisant le fil continu (36) comme fil de trame dans une chaîne formée de fils électriquement isolants (48). 10 - Dispositif de fabrication d'un genérateur thermoélectrique, comprenant des moyens d'amenée de fils de deux natures différentes et des moyens de soudure de ces fils entre eux, caractérise en ce qu'il comprend des moyens de tissage d'une pluralité de fils électroconducteurs précités sont parallèles et disposés en alternance pour former la chaîne du tissage, dont les fils de trame comprennent des fils de matière diélectrique avec, à intervalles prédéterminés, un fil électroconducteur d' des deux natures précitées, des moyens de soudure des fils de trame électroconducteurs sur les fils de chaîne et de coupe de ces fils électroconducteurs de trame entre certains des fils de chaîne, et des moyens de coupe des fils de chaîne à intervalles prédéterminés pour former des ensembles de thermocouples reliés en série.
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