FR3035271A1 - Generateur thermoelectrique ayant un unique module thermique - Google Patents

Abstract

Générateur thermoélectrique ayant un unique module thermique, ledit module thermique comprenant : - au moins un ensemble thermoélectrique (2') sensiblement cylindrique formé par un alignement d'éléments thermoélectriques se présentant sous une forme annulaire ; - des moyens de support des ensembles thermoélectriques (2'); - des moyens d'isolation électrique entre les ensembles thermoélectriques et l'extérieur et entre les ensembles thermoélectriques adjacents ; - des moyens de diffusion d'un fluide (12') autour des éléments thermoélectriques ; ces moyens de support, d'isolation et de diffusion (12') étant assurés par une unique enveloppe de guidage (3') se développant autour d'un axe principal X, dit axe du générateur X.

Description

1 Générateur thermoélectrique ayant un unique module thermique L'invention concerne un générateur thermoélectrique ayant un unique module thermique. L'invention concerne également le module thermique en lui-même. Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des générateurs comprenant une pluralité de modules thermiques utilisant des éléments thermoélectriques permettant de produire 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 modules 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 caloriporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermoélectriques 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. De tels générateurs 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 entrainée par le vilebrequin du moteur. La plupart des générateurs thermoélectriques positionnés sur la ligne d'échappement de véhicule automobile ont une configuration cylindrique, en utilisant : soit des éléments thermoélectriques sous forme de plots parallélépipédiques répartis sur une pièce cylindrique ; soit des éléments thermoélectriques sous formes de rondelles alignées de manière à former des ensembles thermoélectriques en forme de tube répartis dans une enceinte permettant la circulation du gaz. Ces configurations cylindriques présentent de nombreux inconvénients, parmi lesquels : la difficulté d'intégration des ensembles thermoélectriques dans le générateur ; l'ajout de résistances thermiques apportées par tous les éléments de connexion nécessaires entre les circuits chaud / froid et les ensembles thermoélectriques ; 3035271 2 la circulation non optimale des gaz chauds puisqu'ils ne sont pas diffusés de manière homogène entre les ensembles thermoélectriques, empêchant dès lors un échange thermique sur l'ensemble de la surface des éléments thermoélectriques ; 5 la nécessité d'ajouter une pièce supplémentaire pour isoler électriquement les ensembles thermoélectriques de l'environnement extérieur. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en proposant un générateur thermoélectrique où l'intégration des composants est simple de mise en oeuvre, 10 avec une optimisation dans la circulation des gaz chauds et du fluide froid pour générer une puissance électrique maximale. L'invention concerne ainsi un générateur thermoélectrique ayant un unique module thermique, ledit module thermique comprenant : 15 au moins un ensemble thermoélectrique sensiblement cylindrique formé par un alignement d'éléments thermoélectriques se présentant sous une forme annulaire ; des moyens de support des éléments thermoélectriques assemblés ; des moyens d'isolation électrique entre les éléments thermoélectriques et l'extérieur et entre les ensembles thermoélectriques adjacents ; 20 des moyens de diffusion d'un premier fluide autour des éléments thermoélectriques, ce premier fluide formant une première source de gradient de température ; ces moyens de support, d'isolation et de diffusion étant assurés par une unique enveloppe de guidage se développant autour d'un axe principal X, dit axe du générateur X.

25 Le générateur selon l'invention ne comprend plus qu'un seul module thermique qui comprend le ou les ensembles thermoélectriques et qui est configuré pour assurer toutes les fonctions (de support, d'isolation électrique, de diffusion du fluide) en même temps. Il n'y a donc plus d'assemblage d'une pluralité de modules pour former un générateur. Le montage 30 de ce dernier est grandement simplifié. De plus, le module en lui-même est conçu pour être monté aisément et rapidement, puisqu'il consiste uniquement en une enveloppe de guidage regroupant toutes les fonctionnalités de support, d'isolation électrique et de diffusion du fluide, et dans laquelle 35 sont insérés les ensembles thermoélectriques. Par conséquent, l'invention concerne également un module thermique pour un générateur thermoélectrique.

3035271 3 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : l'enveloppe de guidage est une pièce monobloc. l'enveloppe de guidage est une pièce assemblée. 5 l'enveloppe de guidage se compose d'un profilé s'étendant selon l'axe X et comprenant une pluralité de logements d'allure cylindrique aptes à accueillir chacun un ensemble thermoélectrique. tous les logements présentent les mêmes dimensions. chaque logement présente une entrée et une sortie pour ledit premier fluide. 10 l'entrée et la sortie sont chacune formées d'une fente allongée dans une direction d'allure parallèle à l'axe X. ladite fente a une longueur sensiblement équivalente à la longueur d'un ensemble thermoélectrique. l'entrée et la sortie sont diamétralement opposés dans chaque logement. 15 ledit profilé comprend également un orifice central d'axe X dans lequel circule ledit premier fluide, lesdits logements étant répartis radialement autour de l'orifice central. pour chaque logement délimité par une paroi cylindrique appartenant au profilé, la fente pour l'entrée du premier fluide se situe dans une portion de paroi proximale 20 de l'orifice central. pour chaque logement délimité par une paroi cylindrique appartenant au profilé, la fente pour la sortie du premier fluide se situe dans une portion de paroi proximale de la périphérie extérieure du profilé. l'enveloppe de guidage présente un secteur angulaire constant entre les 25 différents logements adjacents. chaque ensemble thermoélectrique comprend un canal central dans lequel circule un second fluide à l'intérieur des éléments thermoélectriques, ledit second fluide formant une seconde source de gradient de température. l'enveloppe est fabriquée dans un matériau isolant électriquement, par exemple 30 de la céramique moulée, du mica extrudé, ou encore de l'alumine. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre 35 d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : 3035271 4 la figure 1 illustre une vue de face d'un module thermique selon l'invention, conçu pour deux ensembles thermoélectriques ; la figure 2 est une vue de dessus du module thermique de la figure 1 ; la figure 3 représente une vue de face d'un module thermique selon l'invention, 5 conçu pour dix ensembles thermoélectriques ; la figure 4 est une vue en perspective du module thermique de la figure 3. En référence aux figures 1 et 2, le module thermique 1 de l'invention est conçu pour accueillir deux ensembles thermoélectriques 2.

10 En référence aux figures 3 et 4, le module thermique 1' de l'invention est conçu pour accueillir dix ensembles thermoélectriques 2'. De manière générale, le module thermique 1, 1' se compose d'une enveloppe de guidage 3, 3' qui présente une géométrie particulière. Cette enveloppe 3, 3' se compose d'un 15 profilé 3, 3' qui s'étend longitudinalement selon un axe X, et qui définit plusieurs logements 13, 13' cylindriques à l'intérieur desquels sont insérés des ensembles thermoélectriques 2, 2' formés d'éléments thermoélectriques. Plus précisément, lesdits éléments thermoélectriques se présentent classiquement 20 sous une forme annulaire. Agencés côte à côte, notamment de façon coaxiale, ils forment un ensemble thermoélectrique 2, 2' sensiblement cylindrique. Avantageusement, ledit ensemble thermoélectrique 2, 2' est un cylindre creux, centré sur un axe référencé Y. Cela permet la circulation d'un premier fluide chaud à l'extérieur dudit cylindre et d'un second fluide froid, à l'intérieur.

25 Lesdits éléments thermoélectriques sont configurés pour produire un courant électrique à partir du gradient de température existant entre le fluide chaud (correspondant à des gaz d'échappement de véhicule) et le fluide froid (correspondant à un liquide de refroidissement).

30 En effet, les éléments thermoélectriques sont susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leur faces, l'une dite première face active 6, 6', étant définie par une surface de périphérie extérieure 6, 6', cylindrique, apte à être en contact avec le premier fluide chaud 12, 12', et l'autre, dite seconde face active 7, 7', étant définie par une surface de périphérie intérieure, cylindrique, 35 apte à être en contact avec le second fluide froid. Lesdites première et seconde faces 6, 6', 7, 7' sont, par exemple, de section circulaire. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible.

3035271 5 De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces 6, 6', 7, 7' soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont 5 constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). Les éléments thermoélectriques pourront être, pour une première partie, des éléments 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 10 l'autre partie, des éléments 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. Les éléments thermoélectriques alternent entre éléments P et éléments N. Ils sont, 15 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 thermoélectriques sont, par exemple, groupés par paire, chaque 20 paire étant formée d'un dit élément thermoélectrique de type P et d'un dit élément thermoélectrique de type N. L'ensemble thermoélectrique 2, 2' comprend des connecteurs d'un premier type pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces actives 6, 6' des éléments thermoélectriques d'une même paire et des connecteurs d'un second type pour permettre une circulation de courant entre les secondes surfaces actives 7, 25 7' de chacun des éléments thermoélectriques de ladite même paire et l'élément thermoélectrique voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermoélectriques disposés les uns à côtés des autres selon la direction Y. Pour l'ensemble thermoélectrique 2, 2', deux jeux de connecteurs de tailles 30 différentes sont ainsi nécessaires. Un premier pour la liaison électrique côté fluide froid et un second, de diamètre supérieur, pour le côté fluide chaud. A nouveau pour faciliter la configuration des circuits de circulation de fluide on pourra prévoir que lesdits éléments thermoélectriques soient disposés les uns par rapport aux 35 autres de façon à ce que leur première et/ou seconde face active 6, 6', 7, 7' soient dans le prolongement l'une de l'autre. Lesdites première et/ou seconde faces actives 6, 6', 7, 7' sont ainsi inscrites, par exemple, dans une surface générée par une droite.

3035271 6 Il est à noter aussi que lesdits éléments thermoélectriques pourront avantageusement être munis d'ailettes externes afin de faciliter les échanges de chaleurs avec le premier fluide chaud 12, 12' qui circule à l'extérieur desdits éléments.

5 Il pourra être prévu un tube permettant la circulation du fluide froid au contact de ladite seconde face active 7, 7' desdits éléments thermoélectriques. Sur la figure 1, le module thermique 1 de l'invention comprend deux ensembles thermoélectriques 2 logés et centrés dans deux logements 13 cylindriques formés par le 10 profilé 3. Ce dernier ressemble à un assemblage de deux tubes creux placés l'un contre l'autre et reliés par de la matière en partie centrale. Un tel profilé 3 peut être fabriqué par extrusion par exemple. Les logements 13 permettent de positionner correctement les ensembles thermoélectriques 2 au sein du module thermique.

15 Le profilé 3 est fabriqué dans un matériau isolant électriquement, par exemple de la céramique moulée, du mica extrudé, ou encore de l'alumine. Ainsi, les parois définissant les logements 13 permettent d'isoler électriquement les ensembles thermiques 2 les uns des autres, et aussi d'isoler les ensembles thermiques 2 vis-à-vis de l'extérieur du module thermique 1.

20 Le profilé 3 est configuré pour conduire ledit premier fluide chaud 12 à épouser le contour externe 6 des éléments thermoélectriques. Les flèches de la figure illustrent un tel guidage, selon une lame 8 de premier fluide 12 de faible épaisseur relativement au diamètre des éléments thermoélectriques. Il est à noter que l'épaisseur de la lame 8 de premier fluide 25 12 ménagée entre l'ensemble thermoélectrique 2 et le profilé 3 est par exemple inférieur au tiers, voire au quart, voire au cinquième, du rayon du cylindre formé par ledit ensemble thermoélectrique 2. Pour assurer cette circulation du premier fluide chaud 12, le profilé 3 présente une entrée et une sortie avantageusement formées respectivement d'une fente d'entrée 4 et 30 d'une fente de sortie 5 allongées dans une direction parallèle à l'axe X du module 1 (voir aussi la figure 2 pour une représentation isométrique desdites fentes). Les fentes 4, 5 s'étendent sur quasiment toute la longueur du profilé 3, afin d'optimiser le passage du fluide dans tout le profilé 3. De préférence, la largeur de la fente d'entrée 4 est identique à la largeur de la fente 35 de sortie 5, afin de garder une circulation fluide sans zones de rétrécissement. Les deux fentes d'entrées 4 sont situées sur un même côté du profilé 3, et les deux fentes de sorties 5 sont situées à l'opposé des fentes d'entrée 4 également sur un même 3035271 7 côté du profilé 3, de manière à obliger le fluide chaud 12 à faire le tour de la surface extérieure 6 des deux ensembles thermoélectriques 2 avant de pouvoir ressortir des deux logements 13. En d'autres termes, pour chaque logement 13, la fente d'entrée 4 est diamétralement opposée à la fente de sortie 5. Par diamétralement opposée, on entend que 5 les fentes sont disposées de part et d'autre selon un diamètre mais l'invention couvre également le cas où les fentes sont sensiblement diamétralement opposées ou encore le cas où les fentes présentent un décalage angulaire inférieure à 45°. Ainsi, le profilé 3 formant l'enveloppe de guidage 3 permet d'assurer à la fois le 10 positionnement des ensembles thermoélectriques 2, leur isolation, et la circulation du premier fluide chaud 12 tout autour. Les figures 3 et 4 montrent une version de module thermique 1' à plus grande échelle, où l'enveloppe de guidage 3' a la forme d'un barillet, comprenant cette fois dix 15 logements 13' cylindriques accueillant dix ensembles thermoélectriques 2'. Dans ce cas, l'enveloppe de guidage 3' se compose d'un profilé 3' d'allure cylindrique ayant un axe central X, et comprenant un orifice central 9' concentrique à l'intérieur duquel circule le second fluide froid. De préférence, le diamètre externe du profilé 3' est deux fois plus grand que le diamètre interne du profilé 3', correspondant au diamètre de l'orifice central 20 9'. Les dix logements 13' cylindriques sont agencés radialement autour de l'orifice central 9'. Ils forment de la sorte une couronne autour de l'axe X. Le secteur angulaire a entre deux logements 13' adjacents est identique au sein de la 25 couronne, afin d'avoir une répartition homogène des ensembles thermoélectriques 2' au sein du module thermique 1'. Par exemple, la couronne comprend dix secteurs angulaires a de 36° chacun. Le secteur angulaire a varie logiquement en fonction du nombre de logements 13' du modules thermique 1'. De la même manière, la distance entre l'axe X du module 1' et l'axe Y d'un ensemble 30 thermoélectrique 2' d'un logement 13' est identique pour tous les logements 13' de la couronne. Chaque logement 13' est défini par une paroi comprenant une fente d'entrée 4' du fluide chaud 12, et une fente de sortie 5' du fluide chaud 12'. A nouveau, afin d'optimiser la circulation du fluide chaud 12' autour des ensembles 35 thermoélectriques 2', toutes les fentes d'entrée 4' sont localisées sur une portion de paroi du logement 13' proximale de l'orifice central 9' du profilé 3', et toutes les fentes de sortie 5' sont localisées à l'opposé sur une portion de paroi du logement 13' proximale de la surface 3035271 8 extérieure du profilé 3'. En d'autres termes, lesdites fentes d'entrées 4' sont situées proches dudit axe X et les fentes de sorties 5' sont plus éloignées dudit axe X, par comparaison. Concrètement, comme cela est représenté par les flèches en figure 4, le fluide chaud 12' rentre dans l'orifice central 9', puis est distribué dans en parallèle dans les dix fentes 5 d'entrée 4', circule autour des ensembles thermoélectriques 2', et ressort par les fentes de sortie 5' vers l'extérieur du module thermique 1'. Toutes les fentes d'entrées 4' et toutes les fentes de sorties 5' sont réparties radialement de façon homogène au sein de la couronne.

10 La forme de la surface extérieure du profilé 3' suit la forme des parois des logements 13'. Ainsi, la surface extérieure du profilé 3' est ondulée, avec systématiquement un creux 10' situé entre deux logements 13' adjacents, et un point culminent 11' situé au niveau d'un logement 13'. L'épaisseur de la paroi d'un logement 13' au niveau d'un point culminent 11' est relativement fine, afin de limiter tout encombrement inutile du module 1'. De préférence, 15 l'épaisseur de cette paroi est équivalente à la largeur d'une fente 4', 5'. Les fentes de sortie 5' sont localisées de préférence à mi-chemin entre un creux 10' et un point culminent 11' La surface extérieure du profilé 3' pourrait cependant être circulaire sans ondulation, tel que cela est représenté par le cercle 14' sur la figure 3.

20 Le module thermique 1, 1' de l'invention présente ainsi une unique enveloppe de guidage 3, 3' assurant la conduction d'une lame 8, 8' de fluide chaud 12, 12' au plus près des ensembles thermoélectriques 2, 2' qui le compose. Ceci permet de favoriser un bon échange thermique entre ceux-ci. De plus, la disposition des logements 13, 13' autorise une 25 circulation du premier fluide 12, 12' en parallèle autour de ceux-ci, plutôt qu'en série, ce qui favorise les performances de façon supplémentaire, tout en limitant l'encombrement. Selon l'invention, le générateur thermoélectrique comprend un seul module thermoélectrique 1, 1' comprenant une pluralité des logements 13, 13' agencés, 30 avantageusement radialement, autour d'un axe principal X, dit axe du générateur. Lesdites fentes d'entrées 4, 4' sont réparties en couronne et configurées pour faire circuler ledit premier fluide 12, 12' le long dudit axe X du générateur. Avantageusement, le générateur thermoélectrique est configuré pour être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement 35 circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide chaud et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide chaud.