WO2012143638A2 - Dispositif échangeur pour pompe à chaleur thermoélectrique réversible - Google Patents

Dispositif échangeur pour pompe à chaleur thermoélectrique réversible Download PDF

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WO2012143638A2
WO2012143638A2 PCT/FR2012/050716 FR2012050716W WO2012143638A2 WO 2012143638 A2 WO2012143638 A2 WO 2012143638A2 FR 2012050716 W FR2012050716 W FR 2012050716W WO 2012143638 A2 WO2012143638 A2 WO 2012143638A2
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heat
exchange plate
plate
thermoelectric
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Benjamin David
Julien Ramousse
Lingai Luo
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ACOME, Société Coopérative et Participative, Société anonyme coopérative de production à capital variable
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    • F25B21/04—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect reversible
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    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

Definitions

  • thermoelectric unit exchanger device relates to heating and / or cooling systems, and relates to a thermoelectric unit exchanger device and a control system of a heat pump having such an exchanger device.
  • a thermoelectric unit exchanger device is typically reversible because the hot and cold faces (created by the passage of electric current in the semiconductors) thermoelectric modules also called Peltier effect cells reverse with the reversal of the direction of the current by inverting thus also the sense of heat transfer.
  • thermoelectric unit that includes:
  • the second exchange plate being arranged between the first exchange plate and the third exchange plate
  • thermoelectric elements adapted to transfer heat between the first exchange plate and the second exchange plate, the second exchange plate having two opposite faces, a first of the two faces being adjacent to said first group;
  • thermoelectric elements adapted to transfer heat between the third exchange plate and the second exchange plate, the second of the two faces of said second exchange plate being adjacent to said second group,
  • the first exchange plate and said first group forming a first heat exchange module, while said second group and the third exchange plate form a second heat exchange module.
  • This type of exchanger device can be used in a heat pump or similar device with a power source for electrically powering the thermoelectric unit.
  • the exchanger device works in a reversible way: it is indeed possible to switch from operation to heating mode, in which the thermoelectric unit takes heat from one of the circuits (side source, in this case on the cold side) to transfer them to the other of the circuits (useful side, in this case in the hot face), to operation in cooling mode, in which the thermoelectric unit is fed with a reverse electric current , so as to take the calories in the opposite direction to that of the heating mode (in this case, the source side is connected to the hot side and the useful side to the cold side), for example to cool a living space in been evacuating outward from the heat.
  • thermoelectric exchanger of the aforementioned type which comprises between the exchange plates groups of several CEP superimposed in cascade.
  • calories are taken by the PECs at the source-side heat transfer fluid flowing through some of the exchange plates, while the heat-exchange fluid of the useful-side circuit flowing through the other exchange plates receives heat and is thus warmed up.
  • the power supply of the CEP can be adjusted according to temperature measurements.
  • thermoelectric unit degrades substantially when the operating conditions change and in particular when the temperature difference of the fluids flowing in the two circuits increases. Also, it is difficult to date to reach a COP greater than 4, unlike the last traditional heat pumps which are a great commercial success.
  • these traditional heat pumps use a closed circuit in which a refrigerant such as a hydrofluorocarbon undergoes a compression / expansion cycle between a condenser and an evaporator.
  • GWP global warming potential
  • the present invention therefore aims to propose a heat exchanger device suitable for optimized management of a thermoelectric heat pump.
  • the present invention relates to an exchanger device of the aforementioned type, characterized in that at least the second exchange plate among said exchange plates has an internal channel for circulating a heat transfer fluid between at least one inlet and the least one output of the exchange plate, said at least one internal channel of the second exchange plate extending between the two faces thereof, said input and said output being connected to the first connection interface and the second interface of connection, and in that the first connection interface and the second connection interface comprise a valve system which has at least one valve associated with the second exchange plate and making it possible to control, selectively:
  • the configuration of the exchanger device is thus modifiable according to the need and can allow the use, by selectively stopping the flow of fluid in at least one of the intermediate exchange plates, of a cascade configuration to optimize the performance of the heat pump.
  • intermediate applies to an exchange plate which is arranged between two other exchange plates.
  • mode of operation it should of course be understood that this is an active mode of the exchanger device, during which heat transfer is carried out between the heat exchange circuits (source side and useful side).
  • thermoelectric elements thermoelectric elements
  • the valves are preferably associated with a control device for setting a cascade configuration (otherwise the configuration is usually in parallel between two circuits).
  • a control device for setting a cascade configuration otherwise the configuration is usually in parallel between two circuits.
  • the configuration of the thermoelectric unit is modified so that the thermal cascade phenomenon can take place between exchange plates which are adapted in the first mode to allow heat transfer in parallel between two circuits.
  • the first exchange plate and the third exchange plate each comprise at least one channel for circulating a heat transfer fluid, the first connection interface and the second connection interface being connected to each of said first and third exchange plates, said valve system having:
  • valves associated with the third exchange plate.
  • the total number of exchange plates of the thermoelectric unit can be much greater than three and it is preferable to use in this second mode two input and output exchange plates (at both ends of the stack configured as cascade) to respectively enable a connection to the first circuit and a connection to the second circuit.
  • one and / or the other of the input and output exchange plates can exchange heat with at least one additional heat transfer circuit or adapted source.
  • thermoelectric unit has a stack of respectively n and n 'heat exchange modules, arranged on either side of the second exchange plate, each of these n and n' modules having a two-layer overlay with:
  • thermoelectric elements forming the other of the two layers
  • n modules comprising the first heat exchange module and n 'modules comprising the second heat exchange module.
  • thermoelectric unit A modularity of the thermoelectric unit is thus obtained, which makes it possible to increase the number of possible configurations (for example with the possibility of using mixed configurations "cascade-parallel").
  • the exchange plates of the n and n 'modules are preferably identical and each have at least one internal channel adapted to circulate a coolant.
  • the distance separating the adjacent CEP from the internal channel (s) may be less than 10 mm and preferably between 1 and 6 mm (the lower limit being essentially dictated by the need for rigidity of the system).
  • the exchanger device may optionally be resorted to furthermore to one and / or the other of the following provisions:
  • thermoelectric unit comprises a first external face belonging to an exchange plate located at a stacking end of the N heat exchange modules, and a second external face opposite to said first external faxe, the second external face belonging to a plate. exchanger located at a stacking end of n 'heat exchange modules;
  • the first connection interface and said second connection interface each comprise a heat transfer fluid supply portion in connection with the inputs of the exchange plates, and a discharge portion of the coolant in connection with the outputs of the exchange plates;
  • At least the second exchange plate forms a rigid block which has at least two internal channels and comprises:
  • thermoelectric elements has non-ceramic Peltier cells directly wedged between two of the exchange plates.
  • Another object of the invention is to provide a control system of a thermoelectric heat pump (in particular reversible) allowing a finer adjustment of the pump.
  • thermoelectric heat pump of the type comprising two heat exchange circuits and an exchanger device according to the invention
  • system comprising at least one power supply unit for electrically supplying the thermoelectric unit of the exchanger device and a control device for controlling the valve system of the exchanger device, the control device being in connection with the valve system for setting up a cascade configuration in which the heat transfer fluid does not circulate in said internal channel of the second exchange plate and said second exchange plate allows heat transfer by conduction between its two faces
  • the power supply unit being adapted to feed the first group of thermoelectric elements and the second group of thermoelectric elements so as to generate through the second heat exchange plate a heat flow between a hot face of said first group and a cold face of said second group.
  • this control system modifies the configuration of a heat exchanger device having a design adapted to operate in a parallel mode, so as to activate a different operating mode that can respond to a change in heat transfer requirements. and wherein at least one exchange plate acts as a thermal conductor between two CEPs adjacent to said exchange plate.
  • a control method is obtained (with the steps of power supply, selective control of the valve system and configuration of the cascade configuration as indicated above) making it possible to adapt to the actual needs in transfer of heat.
  • control system further comprises means for supplying heat transfer fluid and valves for circulating a coolant in the exchange plates of the first and second heat exchange modules.
  • control device is adapted to set up a parallel configuration in which the first exchange plate and the third exchange plate are connected to one of the first and second heat exchange circuits, the valve system being parameterized. in the parallel configuration for circulating in said channel the second plate heat exchanging fluid used by the other circuit among the first and second circuits, the power supply unit being adapted to feed the first group of thermoelectric elements and the second group of thermoelectric elements so as to generate through the second exchange plate two opposite thermal flows.
  • the present invention also aims to provide a reversible thermoelectric heat pump with several thermoelectric units whose operation can be managed closer to the real needs in heat transfer.
  • thermoelectric heat pump comprising a first heat exchange circuit, a second heat exchange circuit characterized in that it comprises the control system and the exchanger device according to the invention. invention.
  • Such a heat pump can be in the form of a device connecting to the urban electrical network and can be directly installed in a building by connecting to an existing central heating system or nine forming the first circuit, such as a floor heating system, and a heat exchange system with the external environment forming the second circuit.
  • the present invention also aims to provide more configurations for a thermoelectric unit, to better match the level of power consumption to the actual needs for heat transfer.
  • thermoelectric heat pump which comprises a first heat exchange circuit and a second heat exchange circuit, a two-sided exchange plate comprising at least one channel internal circuit for circulating a heat transfer fluid between an inlet and an outlet, said at least one internal channel extending between the two faces of the exchange plate, said inlet and said outlet being connected to one of the first and second circuits of the exchange of heat so that a coolant can flow between the two faces of the exchange plate, characterized in that the exchange plate is configured in a unit thermoelectric pump, between a first group of one or more thermoelectric elements and a second group of one or more thermoelectric elements, and in that the exchange plate serves for:
  • thermoelectric unit an exchange plate integrated in a thermoelectric unit.
  • solenoid valves or similar valves connected to an automation unit, no human intervention is necessary when moving from one configuration to another.
  • FIG. 1 shows an exchanger device having thermoelectric modules arranged between exchange plates and which can be associated in cascade or in parallel, according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a fluidic connection with the exchange plates obtainable with the first embodiment
  • FIG. 3 is a sectional view of an exchange plate that can be used in an exchanger device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents an exchanger device using exchange plates such as that described in FIG. 3, and whose general operation is completely similar to the device of FIG. 1;
  • FIG. 5 schematically represents an exchanger device functionally equivalent to that of FIGS. 1 and 4, in a "parallel"configuration
  • FIG. 6 shows the exchanger device of FIG. 5 in a "cascade" configuration
  • FIG. 7 shows an exchanger device in a parallel configuration and comprising, according to a third embodiment, two additional exchange plates with respect to the example of FIGS. 1 and 4, so that a "cascade" operating mode using five plates exchangers can be obtained;
  • FIG. 8 represents the exchanger device of FIG. 7, in a mixed configuration
  • FIGS. 9A, 9B, 9C and 9D each represent an alternative arrangement of CEP cells between two consecutive exchange plates of the thermoelectric unit used in an exchanger device according to the invention
  • FIGS. 10A-10B show, respectively, a portion of a thermoelectric unit used in an exchanger device according to the invention.
  • FIG. 1 1 shows a heating and cooling system using a heat exchanger device according to the invention.
  • FIGS. 1-2 and 5-6 A first embodiment of an exchanger device 1 will now be described in conjunction with FIGS. 1-2 and 5-6.
  • a heat exchanger device 1 can equip a reversible thermoelectric heat pump.
  • the exchanger device 1 comprises a thermoelectric unit 10, a first connection interface N1, N2 with a first circuit C1 for heat exchange and a second connection interface N3, N4 with a second circuit C2 for heat exchange.
  • the thermoelectric unit 10 may be compactly arranged with alternating exchange plates 11, 12, 13 and groups 21, 22 each having one or more thermoelectric elements 20.
  • thermoelectric unit 10 has three exchange plates 11, 12, 13 with the second exchange plate 12 arranged between the first exchange plate 11 and the third exchange plate 13. the two faces 18, 19 opposite of the second exchange plate 12, the first face 18 is adjacent to a first group 21 with thermoelectric element (s) 20 and the second face 19 is adjacent to a second group 22 with thermoelectric element (s) 20.
  • the first group 21 here makes it possible to transfer heat between the first plate 1 and exchange the second exchange plate 12, while the second group 22 can transfer heat between the third exchange plate 13 and the second exchange plate 12. More generally it is understood that, when powered electrically, the CEP groups 21, 22, allow a transfer of heat between the two consecutive exchange plates 1 1, 12 or 12, 13, in a direction that is dictated by the current supply direction.
  • thermoelectric unit 10 With this configuration of the thermoelectric unit 10, the first exchange plate 1 1 and the first group 21 attached to this first plate 1 1 form a first heat exchange module M1, while the third exchange plate 13 and the second group 22 joined to this third plate 13 form a second heat exchange module M2.
  • the second exchange plate 12 arranged between these two modules M1, M2 can thus exchange heat with the latter via its two faces 18, 19 which are here parallel.
  • the exchanger device 1 uses at least one circulation of a coolant such as water.
  • the second exchange plate 12 has one or more internal channels 31 for circulating such a coolant between its two faces 18, 19 in a parallel configuration of the thermoelectric unit 10.
  • the second exchange plate 12 may be described as " cold plate "because in this case the two faces 18, 19 form a zone of transfer to the outside of a quantity of heat provided by the coolant passing through the internal channel or channels 31 (the name" cold plate "being also used in the case of heat absorption).
  • This type of parallel operation is illustrated schematically in Figure 5. It is understood that the coolant flows through the channels 31 between at least one inlet 32 and at least one outlet 33 of the second exchange plate 12.
  • the valve system V allows to connect this input 32 and this output 33 to one and / or the other of the first and second connection interface (N1, N2 and N3, N4).
  • the flow of fluid through the channels 31 can be reversed if necessary.
  • thermoelectric unit 10 In the parallel configuration of the thermoelectric unit 10 permitted according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2, there are two inputs 32, 32 'used alternately depending on whether the heat transfer fluid comes from the first circuit C1 or the second circuit. C2. Two outputs 33, 33 'are therefore also provided in that case.
  • first exchange plate 11 and the second exchange plate 13 an arrangement identical or similar to that of the second exchange plate 12 can be provided here with two inputs (11a, 11d, 13a, 13d) and two outputs (1 1b, 1 1 e, 13b, 13e).
  • the internal channels 11c of the first exchange plate 11 and the internal channels 13c of the third exchange plate 13 are arranged as the internal channels 31 and may comprise mini-channels which extend parallel between two ends of the corresponding plates.
  • These ends comprise one input channel (distributor 42) and the other an output channel (collector 43) each of equal or greater section and preferably greater than that of the mini-channels.
  • the inputs and outputs are defined at the outlet of these respective input and output channels to the outside of the exchange plates 1 1, 12, 13.
  • the internal channels 31 or mini-channels preferably having the same length L ( Figure 3) between the distributor and collector channels 42, 43.
  • the plates 11 and 13 may also transfer heat in a different manner, for example at least one of the plates 11, 13 which is associated, alternatively or in addition, with a a different heat source (fan, outdoor air or Canadian well for example) that uses a different type of coolant (air) than that of the first and second circuits C1, C2. It is, however, preferable to have identical exchange plates 11, 12, 13 for obtaining a modular structure as illustrated in particular in FIGS. 1 and 2. Such a modular structure makes it possible, with power supply management. combined with a dynamic parameterization of the hydraulic configuration of the thermoelectric unit 10, to greatly optimize the COP of a heat pump equipped with such a heat exchanger device 1.
  • thermoelectric elements 20 or CEP are preferably supplied via the power supply (of the unit 24) associated with a current regulation.
  • the choice of the system configuration is a function of the need for rated power and the temperature required for the fluid rated side and the available temperature of the fluid side source. With the knowledge of these values, it is possible to determine by means of a suitable automaton (with use of an algorithm for the control command) the optimal configuration allowing to meet the need by ensuring the maximum COP of the system. Such a regulation can then impose the precise power supply intensity for the CEP and an optimum flow of fluids that circulate through the exchanger plates 1 1, 12, 13 and the optimum hydraulic configuration.
  • a control system 2 which has an electric power source 4 and a power supply unit 24 adapted to feed the different groups 21, 22 with thermoelectric elements 20 from the source of power. electric current 4.
  • the electric power source 4 provides an alternating power supply.
  • the current source 4 can then be the urban network (at 230 V as is the case in many European countries in particular).
  • connection interfaces N1 -N2 and N3-N4 comprise pipes in communication with the internal channels 31, 1 1c, 13c for the supply / discharge of heat transfer fluid.
  • These connection interfaces N1-N2 and N3-N4 are furthermore equipped with a valve system V, which has for example a plurality of solenoid valves, so that it is possible to modify the role of all or part of the exchange plates. 1 1, 12, 13.
  • the valve system V may have, as shown in Figures 1 and 2, valves v3-v4, v9-v10 specifically associated with the second exchange plate 12 and which allow to circulate:
  • valve can be used to perform this function, preferably with a control member for the opening / closing of the valve flap. It is understood that the flow of the fluid can however continue through other parts of a circuit. This can be achieved, for example, by using motor-valves which interrupt or short-circuit only a sinuous circulation in the second exchange plate, whereas a longitudinal circulation (preferably at a distance from the adjacent CEPs) or external to the exchange plate 12 is permitted.
  • a control system 2 associated with the exchanger device 1 provides supply means such as pumps P1, P2 for circulating a heat transfer fluid in each of the exchange plates 1 1, 12 and 13.
  • the thermoelectric unit with exchange plates 1 1 , 12, 13 has fluid connections with four N1, N2, N3, N4 feeders of the N1 -N2 and N3-N4 connection interfaces.
  • the two feeders N1, N2 are part of the first circuit C1 and the other two feeders N3, N4 are part of the second circuit 02.
  • the nurse N3 is connected upstream of the zone for useful heat exchange (side to be heated when the pump is operating in heating mode) and N4 is connected downstream from this zone.
  • the nurse N2 is connected upstream of the zone for the heat exchange with the source (the side where calories are taken in the heating mode) and the nurse N1 is connected downstream of this zone.
  • the pumps P1, P2 make it possible to circulate a coolant in each of the two circuits 01, 02.
  • the pumps P1, P2 are typically placed between one of the two nipples and the circuit portion external to the housing or apparatus enclosing the exchanger device 1.
  • the pumps may be conventional or may be variable speed circulation devices.
  • the first exchange plate 11 and the third exchange plate 13 have a design similar to the second exchange plate 12 and are also associated with respective valves (v1-v2 and v7-v8 v6-v7 and v1 1 -v12).
  • each of said first and third exchange plates 11, 13 are connected to the first connection interface N1 -N2 and to the second connection interface N3-N4.
  • the connection interfaces N1-N2, N3-N4 and the valve system V are designed so that each exchange plate 11, 12, or 13 can be fed with the useful fluid or the source fluid.
  • the exchanger device 1 may have a rigid configuration of the N1 -N2 and N3-N4 connection interfaces, for example for each exchange plate 1 1, 12 or 13:
  • a pair of orifices (forming an inlet and an outlet) connected to two N3 and N4 nurse connected to a useful side.
  • the nurse N1 belongs to a heat transfer fluid supply part of the first connection interface N1, N2, the nurse N2 belonging to a discharge part.
  • the nurse N3 belongs to a heat transfer fluid supply part of the second connection interface N3, N4, the nurse N4 belonging to a discharge part.
  • the heat transfer fluid of the source may be water from a closed loop with a water tank 80 (see Figure 1 1, this tank 80 being for example buried underground) and / or equipped with dissipation means thermal equivalents. More generally, the source side may have any exchange system with the outside (network type or tank buried in the ground, or exchange system with air or a body of water).
  • FIG. 2 shows a configuration with exchange plates 1 1, 12, 13 each having two pairs of inlet and outlet ports, it is understood that the number of inlet and outlet ports can vary at the same time. up or down. Any suitable connection may be used to connect each of the exchange plates 1 1, 12, 13 to at least one of the N1-N2 and N3-N4 connection interfaces.
  • the exchange plate 12 placed between the heat exchange modules M1 and M2 passes from one mode of operation to another as a function of the opening / closing commands of valves (in particular the valves v3-v4, v9-v10) initiated by an electronic control unit ECU or similar control device of the control system 2 of the heat pump 1.
  • the control system 2 controls these valves v1 -V12 to set the fluid supply configuration of the exchanger device 1.
  • the electronic control unit ECU can comprise means of setting a defined number of predetermined operating points of the different groups 21, 22 with thermoelectric elements 20. These setting means for example configure a control mode.
  • a switch system may be used to independently provide a wide range of voltages to the CEPs of these groups 21, 22, the voltage being selected as needed. More generally, each group 21, 22 of CEP can be powered independently, the direction of current varies depending on the groups and the desired configuration. The way electrically power groups 21, 22 will not be further detailed here, but it is understood that several predetermined operating points are available depending on the setting of the power supply.
  • the one or more power supply units for supplying electricity to the different groups 21, 22 of the thermoelectric unit 10 typically deliver a continuous supply voltage that can be adjusted to be optimal (voltage for which a thermoelectric element 20 has a maximum COP).
  • the feed stream is preferably a full alternating rectified alternating current. An adjustment by the control system 2 of heat transfer fluid flows can also be provided.
  • the ECU electronic control unit executes an algorithm that for example uses a decision tree or a look-up table and then makes it possible to select one of the predetermined operating points.
  • the algorithm is further adapted to define the heat transfer fluid supply mode which is best suited to the "parallel" mode as illustrated in FIG. 5 or the "cascade" mode. As shown in FIG. 6.
  • the electronic control unit ECU can activate, depending on the selection of the operating point by the algorithm, a transfer of heat generated by a cascade configuration.
  • FIG. 6 illustrates the heat transfer generated in a cascade configuration of the exchanger device 1.
  • the first exchange plate 1 1 is fed by the source fluid (here from the first circuit C1) and the third exchange plate 13 is fed by the useful fluid (here from the second circuit C2).
  • the thermal cascade phenomenon occurs between these two exchange plates 11, 13 via the group CEPs 21 and 22 and the second exchange plate 12.
  • thermoelectric unit 10 operating in this mode is therefore advantageous for obtaining in optimal operation a complement of power of a value less than the optimal power provided by a single group 21 or 22.
  • the same electrical intensity is applied to each of the CEPs of groups 21-22. Since the coolant does not circulate in the internal channel (s) 31 of the second exchange plate 12, the latter transfers the heat by conduction between its two faces 18, 19. In contrast, a coolant circulates in the plates 1 1, 13 and the power supply unit 24 supplies electricity respectively to the first group 21 of thermoelectric elements and the second group 22 of thermoelectric elements, so as to generate through the second exchange plate 12 a heat flow between a hot face of the first group 21 and a cold face of said second group 22.
  • the heat transfer from the source fluid to the working fluid takes place by convection at the exchange plate 1 1 and then by conduction only at the exchange plate 12 (not supplied with heat transfer fluid by closing the associated valves) and finally by convection at level of the third exchanger plate 13 in order to give calories to the useful fluid.
  • valve system V makes it possible to circulate in the channels 31 of the second exchange plate 12 a heat-transfer fluid coming from a circuit different from the coolant circulating in the adjacent exchange plates 1 1 and 13.
  • the unit power supply 24 is then parameterized to supply the first group 21 of CEP and the second group 22 of CEP so as to generate through the second exchange plate 12 two opposite thermal flows.
  • the heat transfer fluid unit flows (source side and useful side) do not vary from one exchange plate to another and the same intensity is supplied to each of the thermoelectric elements 20 of the groups. 21 -22.
  • the direction of the electric current flowing through groups 21-22 is adapted to have an opposite flow.
  • the flow rate in the exchange plates 1 1, 12, 13 which play the same role is invariant.
  • the adjustment of the heat transfer fluid flow rate of the first circuit C1 through the channels 1 1 c of the first exchange plate 1 1 is carried out here at level of one or two valves v1 -v7 ( Figure 1).
  • the adjustment of the flow rate of the heat transfer fluid of the first circuit C1 through the channels 13c of the third exchange plate 13 is made here at one or two valves v5-v1 1 ( Figure 1).
  • the control system 2 activates here a configuration of the valve system V to generate two useful unit flows Fu at the exchange plate 12.
  • the second exchange plate 12 thus absorbs twice the useful unit flux (through its two faces 18, 19) while the first and third exchange plates1, 13 dissipate once the source unit flux.
  • valves v2, v8 and v6, v12 here closed to obtain the operation illustrated in FIG. 5, could be selectively open and serve (in place of the valves v1, v7 and v5, v1 1) in the case reverse operation of the heat pump equipped with the exchanger device 1. It is indeed possible to feed the second exchange plate 12 with the source fluid (coming here from the circuit C1), the valve v3 will be open and the valve v4 will be closed to prevent the input of the useful fluid, which comes from the circuit C2. Valve v9 will be open to return the fluid to the source and valve v10 will be closed to prevent the fluid from flowing to the usable area.
  • the second exchange plate 12 would be traversed by the heat transfer fluid from the source side (circuit C1) and dissipate twice the source unit flow (with an oriented flow of the face 18 to the Adjacent CEPs and an oriented flow from face 19 to adjacent CEPs). It can also be noted that in both cases, and in general, the two exchange plates (here plates 1 1 and 13) located at the ends of the thermoelectric unit 10 must dissipate or absorb (as the case may be) only one single unit flow.
  • the exchange plates 1 1, 13 at the ends may be traversed by a heat transfer fluid having a flow rate adapted so that the average temperature of this fluid is equal to the average temperature of the same fluid in the other exchange plates of the system. This amounts globally to a flow 2 times less than that in the double-function exchange plates traversed by the same fluid.
  • an optimized COP can be obtained for the reversible thermoelectric heat pump equipped with the exchanger device 1, by exploiting context data.
  • the electronic control unit ECU collects the setpoint data and may furthermore use different analog inputs, for example provided with the aid of temperature sensors 30. It may be, in a manner known per se, sensors measuring characteristic temperatures of the two heat exchange circuits C1 - C2, and secondly sensors measuring the temperature. outside the dwelling or similar room equipped with the heat pump, as well as the ambient temperature of the house. More generally, the set of temperature sensors 30 is intended to provide sufficient information for an estimation of conditions in which is the heat transfer.
  • the ECU electronic control unit can also receive digital all or nothing inputs in a preferred embodiment, which can correspond to at least one of the following commands:
  • a CAN converter from the ECU electronic control unit is used to collect the different inputs.
  • the exploitation of the corresponding information can be performed at the electronic control unit ECU of the control device.
  • the temperature setpoint (it may be a desired ambient temperature) indicated by the user is taken into account so as to determine the temperature that should be reached in the heat transfer fluid circuits to meet the user's request.
  • the knowledge of the overall heat resistance of the exchanger located in the room to be heated or cooled and preferably of the outside temperature and the overall thermal resistance of the home can allow a correlation between a set temperature set directly by a user and the real need in heat transfer.
  • servocontrol of a parameter representative of the heat transfer requirement for example an average water temperature obtained from the temperatures measured by two of the sensors 30, can be implemented by using a corresponding setpoint parameter.
  • the electronic control unit ECU dynamically controls the valve system V of the exchanger device 1.
  • the electronic control unit ECU is in connection with the valve system V to set the desired configuration among the cascade configurations, in parallel and possibly mixed available.
  • the ECU electronic control unit can of course be realized in various ways. How to manage the heat pump will not be detailed further here, it being understood that different modes of context data management can be used.
  • the heat pump may be particularly suitable for low temperature heating and cooling applications for the home.
  • the heat pump may be in the form of a housing or apparatus with a front panel control panel (not shown).
  • a control interface (not shown) and the exchanger device 1 are for example arranged in the housing.
  • the heat pump is typically intended for heating residential or professional premises, but also to refresh these premises through the use of CEP.
  • the thermoelectric heat pump which here combines the exchanger device 1 with thermoelectric units 10 and the control system 2, is therefore preferably reversible.
  • Several rooms of a living space can be heated, respectively refreshed, using heat exchange loops connected to the housing.
  • the living quarters in question are typically single-family dwellings ranging from a few-room apartment to a single-family house.
  • the power is typically provided between three and thirty kilowatts of maximum heating power, without the latter being an upper limit (the lower limit may also be lower, for example less than a kilowatt).
  • the circulation of coolant (s) is (are) carried out through pipes in thermal contact with the faces of the same type of groups 21, 22 with thermoelectric elements 20 of the same type. It is understood that the heat transfer between the two circuits C1, C2 can be achieved using any suitable heat transfer circuit configuration. Whatever the configuration adopted, the face of a CEP that pumps heat is typically at a cooler temperature than the heat-dissipating face.
  • a setpoint temperature can be input via a programming module or comparable device of the heat pump, which module is for example connected to the control interface and is part of the electronic control unit ECU or similar control device.
  • the temperature of the CEP face that pumps heat and the set temperature form a couple of parameters that determine how to obtain a maximum coefficient of performance (COP). The need for power being managed by the modes of associations, it does not intervene on the COP.
  • a second embodiment of an exchanger device 1 will now be described in connection with FIGS. 3-4.
  • thermoelectric unit 10 With reference to the exchanger device 1 illustrated in FIG. 4, the arrangement of the thermoelectric unit 10 is similar to the first embodiment.
  • the design of the connection interfaces N1-N2, N3-N4 and the valve system V allows a supply of each exchange plate 1 1, 12, or 13 with the useful fluid or the source fluid.
  • the exchange plates 11, 12, 13 comprise in this example a single pair of input / output ports (11a, 11b: 13a, 13b; 32, 33) with the possibility of pairs of valves of the valve system V to modify the coolant circulating in the exchange plate 1 1, 12 or 13.
  • the second exchange plate 12 is associated with a pair of hoses on an inlet side and a pair of hoses on one output side.
  • solenoid valves v3-v4 and v9-v10 or similar devices are associated with the second exchange plate 12 (two at the fluid inlet and two at its outlet). This configuration is applicable to all or part of the exchange plates 1 1, 12, 13, the four solenoid valves being connected via the hoses to the corresponding exchange plate.
  • the valves v1 -v12 of the valve system V which are for example solenoid valves, are here in number greater than or equal to four times the number of exchange plates. However, the number of valves could also be reduced to two while retaining the ability to control the flow of heat transfer fluid in the second exchange plate 12 to configure the latter in one or other of the two operating modes mentioned above.
  • FIG. 3 illustrates a nonlimiting example of a structure of the second exchange plate 12.
  • the exchange plate 12 here has a distribution channel 42 distributing the fluid in the internal channels 31 (forming mini-channels) perpendicular to the dispensing channel 42. is then recovered in a collector channel 43 perpendicular to the internal channels 31.
  • the circulation of the fluid in the distributor channel 42 and the collector channel 43 is here oriented in the same way.
  • the respective diameters Dd and De of the distributor channel 42 and the collector channel 43 may be identical in order to have a possible reversibility of the flow direction of the fluids.
  • the heat exchange mainly takes place at the internal channels 31 (mini-channels).
  • the surface (width I x length L) occupied by the internal channels 31 corresponds to the surface of the CEP or groups 21 and 22.
  • the exchange plate 12 is based on a material having a high thermal conductivity such that copper or aluminum.
  • the number of internal channels 31 can be between 2 and 50, preferably between 5 and 40.
  • the exchange plate 12 thus comprises seven internal channels 31 for distributing the heat transfer fluid homogeneously along the surface of the two opposite faces 18, 19 of the exchange plate 12.
  • a higher number of channels 31 may be chosen, for example at least twenty channels. As can be seen in FIG.
  • the distributor and collector channels 42, 43 may have a substantially constant internal section.
  • the ratio of the diameters between these channels opening outwards and the inner channels 31 of smaller section is for example between 1, 5 and 10, preferably between 2 and 8.
  • the spacing E between two adjacent internal channels 31 may be of the same order of magnitude and even substantially equal to the diameter of the internal channels 31.
  • the spacing E between two adjacent channels is in this example less than 4 mm and preferably less than or equal to 2.5 mm. This is given by way of example, other geometries being usable in particular according to the shape and dimensions of the CEP. More generally, the dimensions of such a plate can change depending on the operating conditions (intensity supplied to the CEP, flow of heat transfer fluids). These conditions are chosen to obtain the COP of the highest heat pump for the operating range. Thermoelectric, thermal and fluidic phenomena are therefore taken into account.
  • the COP of the heat pump is defined as the ratio of the useful heat flux on all consumptions (electrical and mechanical).
  • the exchange plate 13 in the central position which absorbs the useful unit flux twice and the exchange plates 1 1, 15 disposed at the ends once. It will be understood that the exchange plates 12 and 14 each dissipate twice the unit heat flux pumped to the fluid coming from the source (dissipation respectively to the exchange plates 11 and 13 for the plate 12 and to the exchange plates 13 and 15 for the plate 14).
  • the additional exchange plates 12 and 14 are associated with valves for cutting the circulation of heat transfer fluid, whereby a mode "all cascade" can be obtained.
  • a mode "all cascade" can be obtained.
  • the exchange plates 1 1 and 15 at the ends are traversed by a fluid: one by the useful fluid, the other by the source fluid.
  • the thermal cascade phenomenon takes place between these two exchange plates 11 and 15 via the CEP and the exchange plates 12, 13, 14. The same electrical intensity can be applied to each of the CEPs.
  • the heat transfer from the source fluid to the useful fluid takes place by convection at the exchange plate 1 1 and then by conduction only at the exchange plates 12, 13 and 14 and finally by convection at the exchange plate 15 (with return of calories to the useful fluid in the case of a heating mode).
  • This example shows a mixed operation, in which the associations between the CEP are made on one side and the other of an intermediate exchange plate (here the exchange plate 13).
  • the source fluid circulates in the two exchange plates 1 1, 15 at the ends and is obtained, by circulating the useful fluid only in the exchange plate 13, two identical heat flows transferred to this fluid from the useful side. The transfer is carried out by conduction through each of the exchange plates 12 and 14. The useful fluid flowing through the exchange plate 13 then dissipates these two flows via a convective transfer.
  • the valve system V may have additional valves compared with the examples of FIGS. 1 and 4. More generally, it is understood that a greater number of combinations can be obtained with a number of exchange plates 1 1, 12, 13, 14, 15 at month equal to five and a system of valves V allowing a choice of operation for at least two or three exchange plates, which ultimately allows better management of the pump to heat and optimize the COP.
  • thermoelectric unit 10 which has a stack of respectively n and n 'heat exchange modules, arranged on either side of a dual function exchange plate (ie say comparable in its operation to that of the exchange plate 12 illustrated in FIGS. 5 and 6), each of these n and n 'modules having a superposition of two layers with:
  • thermoelectric elements 20 forming the other of the two layers.
  • n modules there is the first heat exchange module M1.
  • the second heat exchange module M2 there is the second heat exchange module M2.
  • the numbers n and n 'are identical so as to have a symmetry on either side of the central exchange plate.
  • the exchange plates 1 1, 12, 13, 14 of the n and n 'modules are preferably identical and each have at least one internal channel 1 1 c, 13c, 31 adapted to circulate a coolant. It can be provided a compact arrangement of the thermoelectric unit 10 which extends between a first external face f1 belonging to an exchange plate 1 1 located at a stacking end of the n heat exchange modules and a second external face f2 opposed to said first external fax f 1.
  • thermoelectric elements 20 With reference to FIGS. 9A-9D and 10A-10B, exemplary arrangements of the thermoelectric elements 20 will now be described. Of course, these examples can be used in any embodiment of the exchanger device 1.
  • thermoelectric element elements 20 (it is for example at least two CEP) arranged in the form of a layer directly in contact with the exchange plates.
  • At least one of groups 21, 22 of thermoelectric elements 20 arranged against the second exchange plate 12 may thus comprise a plurality N of CEP (N being an integer).
  • N being an integer.
  • This parallel association makes it possible to multiply the power while maintaining the COP.
  • the number of thermoelectric elements 20 is not fixed and may be variable, for example and not limited to between two and ten per group 21, 22 used in a heat exchange module M1, M2.
  • FIG. 9C a whole number N 'of CEP can also be cascaded directly between two exchange plates in order to improve the COP with the counterpart of a drop in the useful power. At least two Peltier cells are thus superimposed.
  • FIG. 9D shows that a mixed arrangement can be used with these two types of association.
  • thermoelectric elements 20 may comprise opposite layers L1, L2 respectively formed by a first dielectric substrate and a second dielectric substrate.
  • the thermoelectric elements 20 have a plurality of n-type and p-type semiconductors, forming thermoelectric couples connected in series.
  • the thermoelectric elements 20 further comprise, on either side of these semiconductors:
  • first conducting means 25 arranged against the first layer L1 and in contact with the semiconductors
  • second conductive means 26 arranged against the second layer L2 and in contact with the semiconductors.
  • the conduction contacts 25, 26 may be made from any material usually used for this kind of application and may be identical.
  • the combination of these thermoelectric elements 20 with the plate 1 1 forms the module M1 (here placed below the second exchange plate 12).
  • the layers L1, L2 essentially comprise ceramic.
  • the layers L1 and L3 are removed, so that the exchange plates 11, 12 are directly attached to the conduction contacts 25, 26.
  • the CEP cells are in this case devoid of ceramic or similar outer layer, the exchange plate 1 1, 12 replacing this layer L1, L2 to provide a suitable mechanical strength for semiconductors (n-type and p-type elements).
  • the exchange plate 1 1, 12, which has a coefficient of thermal conductivity high, may in this case further have an electrical insulation component or film forming all or part of a shell of the exchange plate 1 1, 12.
  • a plastic film of good thermal conductivity could be used for this electrical insulation function (as well as Kapton®, Mylar® or Teflon® can be used).
  • thermoelectric unit 10 may be sufficient to meet the need for maximum power by means of a sufficient number of thermoelectric cells and associated exchange plates. If, however, the elementary thermoelectric unit 10 can not provide the maximum power requirement, it is naturally possible to associate in parallel hydraulically several thermoelectric units 10, 10 'as illustrated in FIG. It can also be provided four circulators (two for the unit 10 and two for the unit 10 '), so that each of the thermoelectric units 10 and 10' separately feeds a hydraulic radiating surface. In this case, we obtain a heating / cooling generator by room or by zone.
  • FIG. 11 a non-limiting example of application of a heat pump equipped with the exchanger device 1 is shown.
  • the heat pump equipped with the control system 2 is reversible thanks to the possibility of reversing the supply current for all or part of the groups 21, 22 with thermoelectric elements 20.
  • the heat pump has an exchanger device 1 with two thermoelectric units 10, 10 'which are associated in parallel hydraulically. This makes it possible to meet a higher power requirement by maintaining an optimized COP. It is intended here to exchange heat energy with a radiant surface, in this case included in a living room 5, by using the thermoelectric units 10, 10 'which each incorporate a plurality of CEP.
  • the living room 5 exchanges heat energy with the outside environment.
  • the surface S floor, wall or ceiling
  • an exchanger 200 with coolant eg a liquid such as water
  • This exchanger 200 is inserted into the ground under the surface S of the living space 5 in the form of at least one pipe 100 having a serpentine shape in order to maximize the exchange surface.
  • it may be pipes 100 which are part of circuits C2, C2 '(circuits of the useful side).
  • the heat transfer fluid called useful fluid is circulated in the circuits C2, C2 'through appropriate pumps P2, P2'.
  • the CEPs of the different groups 21, 22 of the thermoelectric unit 10, 10 ' are electrically powered by an electric voltage supplied via control lines 28, 29 connected to the power supply unit 24.
  • the dissipation of the heat energy exchanged by the hot faces of the CEP of the thermoelectric units 10 and 10 ' is achieved by the circulation (provided by the pumps P1 and P1') of the heat transfer fluids. respectively in the circuits C1 and C1 '.
  • the source 80 corresponds to a body of water stored in a buried reservoir 80, which is a non-limiting example of dissipation means.
  • the number of CEP in operation and the mode of use of these CEP can advantageously evolve dynamically to meet a large number torque (Heat quantity for heating / Average water temperature of the emitter circuit C2) and (Heat quantity for cooling / Average water temperature of the emitter circuit C2). Since this torque varies as a function of the time and the design of the overall system integrating the heat pump, the control system 2 uses the data of the sensors 30 by having the algorithm execute, repeatedly, a number determination process. of CEP in operation, with simultaneous determination of the optimal power mode of this determined number of CEP that satisfies the real need for the minimum power consumption.
  • the entropic effect is favorable since it seeks to evacuate the heat of the ambient environment whose temperature is generally higher than that of the ground (in the case of a buried sensor). To exploit this effect in the cooling mode, it is possible to let the heat transfer fluid circulate in the groups 21, 22 and / or to lower the thermal resistance locally by any other known means.
  • the entropic effect is unfavorable in heating mode; a high performance / higher performance thermoelectric material with a lower thermal conductivity may be a means of attenuating this entropic effect.
  • the operating modes can be parameterized as a function, on the one hand, of a number of CEPs which are activated, and on the other hand, of supply voltages each associated with the CEPs which are activated.
  • the electronic control unit ECU can be adapted to adjust the supply voltage of the CEP and configure the plurality of valves v1 -v12 so as to select a heating mode with a total number of CEP (by a selective supply of groups 21, 22) sufficient to meet the heat transfer requirements, and deliver a supply current just sufficient to optimize the COP.
  • the heat pump can be controlled by proceeding as follows:
  • the heat pump is connected to a source of electric current 4;
  • At least one temperature setpoint is programmed
  • the algorithm of the electronic control unit ECU is used and the temperature set point and the signals delivered by the set of sensors are calculated according to temperature of the parameters representative of a heat transfer requirement (which may include heating or cooling power and a characteristic temperature in the emitter circuit of such heating or cooling);
  • the number of CEPs is determined (as a function of the power / temperature torque of the fluid in the circuits), so as to maintain an optimized COP; an optimum feed stream of these CEPs is also determined; in practice, it is a selection of configuration of fluid and electrical power supply, with the activation of a determined number of CEP, which makes it possible to obtain an optimal operation of the heat pump (operation in which each of the CEP has optimum power and the power supplied coincides with the desired power output).
  • the exchanger device can remain relatively compact while being optimized by an adjustment of the fluidic connections. This makes it possible to better meet the needs for heat transfer. Operation with a cascaded configuration is thus advantageous especially in the case where the desired power output is less than the optimal power generated by a single CEP.
  • the operator can be provided with a means of optimizing the power consumption of the heat pump while using a modular configuration (identical exchange plates and groups of identical thermoelectric elements). The optimization is automated to ensure efficient operation of the heat pump.
  • the speed of response and the flexibility of the control system 2 are also advantages of such a heat pump.
  • exchanger plate should not be interpreted restrictively and can be used to designate any elemental exchanger adapted for a heat exchange between two opposite faces.

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Abstract

Le dispositif échangeur (1 ) pour pompe à chaleur thermoélectrique réversible est connecté à deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur et comporte une unité thermoélectrique (10) qui comprend : - une première, une deuxième et une troisième plaques échangeuses (1 1, 12, 13), la deuxième plaque étant agencée entre la première plaque et la troisième plaque, - un premier groupe (21 ) à CEP pour transférer de la chaleur entre la première plaque (1 1 ) et la deuxième plaque (12), - un deuxième groupe (22) à CEP pour transférer de la chaleur entre la troisième plaque (13) et la deuxième plaque (12). La deuxième plaque échangeuse présente au moins un canal interne (31 ) où peut circuler un fluide caloporteur de l'un des circuits, au moins une vanne (v3-v4, v9- v10) étant spécifiquement associée à cette plaque échangeuse (12) et permettant de commander sélectivement la circulation ou l'arrêt dans ledit canal interne du fluide caloporteur.

Description

Dispositif échanqeur pour pompe à chaleur thermoélectrique réversible
La présente invention est relative aux installations de chauffage et/ou de rafraîchissement, et concerne un dispositif échangeur à unité thermoélectrique et un système de contrôle d'une pompe à chaleur présentant un tel dispositif échangeur. Un dispositif échangeur à unité thermoélectrique est typiquement réversible car les faces chaudes et froides (créées par le passage du courant électrique dans les semi conducteurs) des modules thermoélectriques aussi appelés Cellules à Effet Peltier s'inversent avec l'inversion du sens du courant en inversant ainsi également le sens du transfert de chaleur.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif échangeur pour une pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant une première interface de connexion avec un premier circuit d'échange de chaleur, une deuxième interface de connexion avec un deuxième circuit d'échange de chaleur, et une unité thermoélectrique qui comprend :
- une première plaque échangeuse,
- une deuxième plaque échangeuse,
- une troisième plaque échangeuse, la deuxième plaque échangeuse étant agencée entre la première plaque échangeuse et la troisième plaque échangeuse,
- un premier groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques adaptés pour transférer de la chaleur entre la première plaque échangeuse et la deuxième plaque échangeuse, la deuxième plaque échangeuse présentant deux faces opposées, une première des deux faces étant adjacente audit premier groupe,
- un deuxième groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques adaptés pour transférer de la chaleur entre la troisième plaque échangeuse et la deuxième plaque échangeuse, la deuxième des deux faces de ladite deuxième plaque échangeuse étant adjacente audit deuxième groupe,
la première plaque échangeuse et ledit premier groupe formant un premier module d'échange thermique, tandis que ledit deuxième groupe et la troisième plaque échangeuse forment un deuxième module d'échange thermique.
Ce type de dispositif échangeur peut être utilisé dans une pompe à chaleur ou un appareil similaire avec une source de courant permettant d'alimenter électriquement l'unité thermoélectrique. Le dispositif échangeur fonctionne de façon réversible : il est en effet permis de passer d'un fonctionnement en mode chauffage, dans lequel l'unité thermoélectrique prélève des calories à l'un des circuits (côté source, dans ce cas en face froide) pour les transférer à l'autre des circuits (côté utile, dans ce cas en face chaude), à un fonctionnement en mode rafraîchissement, dans lequel l'unité thermoélectrique est alimentée avec un courant électrique inverse, de façon à prélever les calories dans le sens opposé à celui du mode chauffage (dans ce cas, le côté source est relié à la face chaude et le côté utile à la face froide), par exemple pour rafraîchir un local d'habitation en été en évacuant vers l'extérieur de la chaleur.
Il est connu, par exemple par le document DE 10 2007 053 381 , d'utiliser un échangeur thermoélectrique du type susmentionné qui comprend entre les plaques échangeuses des groupes de plusieurs CEP superposées en cascade. Dans un mode de chauffage, des calories sont prélevées par les CEP au fluide caloporteur du côté source circulant à travers certaines des plaques échangeuses, tandis que le fluide caloporteur du circuit du côté utile circulant dans les autres plaques échangeuses reçoit des calories et est donc réchauffé. L'alimentation électrique des CEP peut être ajustée en fonction de mesures de température.
Un inconvénient des dispositifs échangeurs de ce type est que le coefficient de performance (COP) réel de l'unité thermoélectrique se dégrade sensiblement quand les conditions de fonctionnement changent et notamment quand la différence de températures des fluides circulant dans les deux circuits augmente. Aussi, il est difficile à ce jour d'atteindre un COP supérieur à 4, contrairement aux dernières pompes à chaleur traditionnelles qui rencontrent un grand succès commercial. Pour rappel, ces pompes à chaleur traditionnelles utilisent un circuit fermé dans lequel un fluide frigorigène comme un hydrofluorocarbure subit un cycle de compression/détente entre un condenseur et un évaporateur. Les avantages des pompes à chaleurs thermoélectrique sur les pompes à chaleur thermodynamique sont cependant nombreux. On peut par exemple citer l'absence de pièce mécanique jouant notamment sur le bruit et la longévité du système. On peut également citer l'absence de fluide frigorigène dont le potentiel de réchauffement planétaire (PRP) est très élevé. Enfin ce genre de système est bien plus réactif qu'un système a cycle de compression et de détente.
Il existe donc un besoin, dans le contexte environnemental et énergétique actuel, d'améliorer les performances des dispositifs échangeurs de chaleur utilisés dans les pompes à chaleur thermoélectriques afin d'améliorer le COP global de ce type de système et le rendre concurrentiel en terme de performance énergétique.
La présente invention a donc pour but de proposer un dispositif échangeur adapté à une gestion optimisée d'une pompe à chaleur thermoélectrique.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif échangeur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins la deuxième plaque échangeuse parmi lesdites plaques échangeuses présente un canal interne permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre au moins une entrée et au moins une sortie de la plaque échangeuse, ledit au moins un canal interne de la deuxième plaque échangeuse s'étendant entre les deux faces de celle-ci, ladite entrée et ladite sortie étant reliées à la première interface de connexion et à la deuxième interface de connexion, et en ce que la première interface de connexion et la deuxième interface de connexion comportent un système de vannes qui présente au moins une vanne associée(s) à la deuxième plaque échangeuse et permettant de commander, sélectivement :
la circulation du fluide caloporteur dans la deuxième plaque échangeuse selon un premier mode de fonctionnement ;
l'arrêt de la circulation du fluide caloporteur dans la deuxième plaque échangeuse selon un deuxième mode de fonctionnement alternatif au premier mode.
La configuration du dispositif échangeur est ainsi modifiable en fonction du besoin et peut permettre l'utilisation, en arrêtant sélectivement la circulation de fluide dans au moins une des plaques échangeuses intermédiaires, d'une configuration en cascade pour optimiser les performances de la pompe à chaleur (le terme « intermédiaire » s'appliquant à une plaque échangeuse qui est agencée entre deux autres plaques échangeuses). Concernant l'expression « mode de fonctionnement », il faut bien entendu comprendre qu'il s'agit d'un mode actif du dispositif échangeur, au cours duquel un transfert de chaleur est réalisé entre les circuits d'échange de chaleur (côté source et côté utile). Par ailleurs, il doit être compris que l'emploi des deux expressions « associées(s) à la deuxième plaque échangeuse » et « commander sélectivement » signifie qu'il est prévu spécifiquement une ou plusieurs vannes pour la deuxième plaque échangeuse, l'arrêt de la circulation dans la deuxième plaque pouvant ainsi être actionné indépendamment de la circulation du fluide caloporteur dans les autres portions de circuit.
On comprend que la deuxième plaque échangeuse peut avantageusement fonctionner :
soit dans un mode de type "parallèle" pour transférer de la chaleur entre les faces adjacentes des groupes d'éléments thermoélectriques et le fluide caloporteur qui circule dans le canal interne (utilisation du phénomène de convection et de la conduction),
soit dans un mode de type "cascade" pour transférer de la chaleur de l'une vers l'autre des faces adjacentes des groupes d'éléments thermoélectriques (conduction thermique uniquement).
Les vannes sont de préférence associées à un dispositif de commande permettant de paramétrer une configuration en cascade (la configuration étant sinon habituellement en parallèle entre deux circuits). Dans ce deuxième mode, la configuration de l'unité thermoélectrique est modifiée pour que le phénomène de cascade thermique puisse avoir lieu entre des plaques échangeuses qui sont adaptées dans le premier mode pour permettre des transferts de chaleur en parallèle entre deux circuits.
Selon une particularité, la première plaque échangeuse et la troisième plaque échangeuse comportent chacune au moins un canal permettant de faire circuler un fluide caloporteur, la première interface de connexion et à la deuxième interface de connexion étant reliées à chacune desdites première et troisième plaque échangeuses, ledit système de vannes présentant :
au moins une vanne et de préférence deux vannes associée(s) à la première plaque échangeuse ; et
au moins une vanne et de préférence deux vannes associée(s) à la troisième plaque échangeuse.
Avec cet agencement, on obtient une capacité de contrôler finement le nombre de plaques échangeuse pouvant fonctionner dans le second mode ("cascade"). Bien entendu, le nombre total de plaques échangeuses de l'unité thermoélectrique peut être largement supérieur à trois et il est préférable d'utiliser dans ce second mode deux plaques échangeuses d'entrée et de sortie (aux deux extrémités de l'empilement configuré en cascade) pour permettre respectivement une connexion au premier circuit et une connexion au deuxième circuit. Selon une alternative de moindre préférence, l'une et/ou l'autre des plaques échangeuses d'entrée et de sortie peuvent échanger de la chaleur avec au moins un circuit additionnel de transfert de chaleur ou source adaptée.
Selon une particularité, l'unité thermoélectrique présente un empilement de respectivement n et n' modules d'échange thermique, agencés de part et d'autre de la deuxième plaque échangeuse, chacun de ces n et n' modules présentant une superposition de deux couches avec :
- une plaque échangeuse formant l'une des deux couches ; et - un groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques formant l'autre des deux couches ;
les n modules comprenant le premier module d'échange thermique et les n' modules comprenant le deuxième module d'échange thermique.
On obtient ainsi une modularité de l'unité thermoélectrique, qui permet d'accroître le nombre de configurations possibles (par exemple avec la possibilité d'utiliser des configurations mixte « cascade-parallèle »).
Selon une autre particularité, les plaques échangeuses des n et n' modules sont préférentiellement identiques et présentent chacune au moins un canal interne adapté pour faire circuler un fluide caloporteur. A titre d'exemple nullement limitatif, la distance qui sépare les CEP adjacentes du ou des canaux internes peut être inférieure à 10mm et de préférence comprise entre 1 et 6mm (la limite basse étant essentiellement dictée par le besoin de rigidité du système).
Dans divers modes de réalisation du dispositif échangeur selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
- l'unité thermoélectrique comprend une première face externe appartenant à une plaque échangeuse située à une extrémité d'empilement des N modules d'échange thermique, et une deuxième face externe opposée à ladite première faxe externe, la deuxième face externe appartenant à une plaque échangeuse située à une extrémité d'empilement des n' modules d'échange thermique ;
- la première interface de connexion et ladite deuxième interface de connexion comprennent chacune une partie d'alimentation en fluide caloporteur en liaison avec les entrées des plaques échangeuses, et une partie d'évacuation du fluide caloporteur en liaison avec les sorties des plaques échangeuses ;
- au moins la deuxième plaque échangeuse forme un bloc rigide qui présente au moins deux canaux internes et comprend :
une entrée et une sortie pour l'arrivée et l'évacuation d'un fluide caloporteur, reliées à ladite première interface de connexion ; et
- une entrée et une sortie pour l'arrivée et l'évacuation d'un fluide caloporteur, reliées à ladite deuxième interface de connexion.
- l'un au moins parmi les premier et deuxième groupes d'éléments thermoélectriques présente des cellules à effet Peltier sans céramique directement coincées entre deux des plaques échangeuses.
L'invention a également pour objet de fournir un système de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique (en particulier réversible) permettant un réglage plus fin de la pompe.
A cet effet, il est proposé un système de contrôle pour une pompe à chaleur thermoélectrique réversible du type comprenant deux circuits d'échange de chaleur et un dispositif échangeur selon l'invention (on comprend qu'il s'agit d'un système de contrôle apte à piloter une pompe à chaleur thermoélectrique selon l'invention), le système comprenant au moins une unité d'alimentation électrique permettant d'alimenter électriquement l'unité thermoélectrique du dispositif échangeur et un dispositif de commande pour commander le système de vannes du dispositif échangeur, le dispositif de commande étant en liaison avec le système de vannes pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le fluide caloporteur ne circule pas dans ledit canal interne de la deuxième plaque échangeuse et ladite deuxième plaque échangeuse permet un transfert de chaleur par conduction entre ses deux faces, l'unité d'alimentation électrique étant adaptée pour alimenter le premier groupe d'éléments thermoélectriques et le deuxième groupe d'éléments thermoélectriques de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse un flux thermique entre une face chaude dudit premier groupe et une face froide dudit deuxième groupe.
Ainsi, il est permis avec ce système de contrôle de modifier la configuration d'un dispositif échangeur ayant une conception adaptée pour fonctionner dans un mode parallèle, de façon à activer un mode de fonctionnement différent pouvant répondre à une modification des besoins en transfert de chaleur, et dans lequel au moins une plaque échangeuse joue un rôle de conducteur thermique entre deux CEP adjacentes à la dite plaque échangeuse. Autrement dit, il est obtenu un procédé de contrôle (avec les étapes d'alimentation électrique, de commande sélective du système de vannes et paramétrage de la configuration en cascade comme indiqué ci- dessus) permettant de s'adapter aux besoins réels en transfert de chaleur.
Selon une autre particularité, le système de contrôle comprend en outre des moyens d'alimentation en fluide caloporteur et des vannes pour faire circuler un fluide caloporteur dans les plaques échangeuses des premier et deuxième modules d'échange thermique.
Selon une particularité, le dispositif de commande est adapté pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle la première plaque échangeuse et la troisième plaque échangeuse sont connectées à un circuit parmi les premier et deuxième circuits d'échange de chaleur, le système de vannes étant paramétré dans la configuration en parallèle pour faire circuler dans ledit canal de la deuxième plaque échangeuse un fluide caloporteur utilisé par l'autre circuit parmi les premier et deuxième circuits, l'unité d'alimentation électrique étant adaptée pour alimenter le premier groupe d'éléments thermoélectriques et le deuxième groupe d'éléments thermoélectriques de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse deux flux thermiques opposés. Bien entendu, il faut comprendre par "opposés" que les flux unitaires (flux unitaires "source" ou flux unitaires "utile" selon le fluide caloporteur circulant à travers ladite plaque provient de la source ou du côté utile) sont générés de la première face de cette deuxième plaque échangeuse vers la ou les CEP adjacentes, et de la deuxième face de cette deuxième plaque échangeuse vers la ou les CEP adjacentes ou inversement.
La présente invention a également pour but de proposer une pompe à chaleur thermoélectrique réversible à plusieurs unités thermoélectriques dont le fonctionnement peut être géré au plus près des besoins réels en transfert de chaleur.
A cet effet, il est proposé une pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant un premier circuit d'échange de chaleur, un deuxième circuit d'échange de chaleur caractérisée en ce qu'elle comprend le système de contrôle et le dispositif échangeur selon l'invention.
Une telle pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un appareil se connectant sur le réseau électrique urbain et pouvant directement être installé dans un bâtiment moyennant le raccordement à un système de chauffage central existant ou neuf formant le premier circuit, comme par exemple un système de chauffage par plancher, et un système d'échange de chaleur avec le milieu extérieur formant le deuxième circuit.
La présente invention a également pour but de fournir davantage de configurations pour une unité thermoélectrique, afin de mieux adapter le niveau de consommation électrique aux besoins réels en transfert de chaleur.
A cet effet, il est proposé une utilisation, dans une pompe à chaleur thermoélectrique réversible qui comprend un premier circuit d'échange de chaleur et un deuxième circuit d'échange de chaleur, d'une plaque échangeuse à deux faces comprenant au moins un canal interne permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre une entrée et une sortie, ledit au moins un canal interne s'étendant entre les deux faces de la plaque échangeuse, ladite entrée et ladite sortie étant reliées à l'un des premier et deuxième circuits d'échange de chaleur de telle façon qu'un fluide caloporteur puisse circuler entre les deux faces de la plaque échangeuse, caractérisée en ce qu'on configure la plaque échangeuse dans une unité thermoélectrique de la pompe, entre un premier groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques et un deuxième groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques, et en ce que la plaque échangeuse sert pour :
i) transférer de façon bidirectionnelle de la chaleur par conduction thermique et convection thermique, entre un fluide caloporteur circulant dans ledit au moins canal et lesdits premier et deuxième groupes selon un premier mode de fonctionnement dans lequel on fait circuler le fluide caloporteur à travers la plaque échangeuse, et ii) transférer de façon unidirectionnelle de la chaleur par conduction thermique de l'une vers l'autre des faces de plaque échangeuse selon un second mode de fonctionnement dans lequel on coupe la circulation de fluide caloporteur à travers la plaque échangeuse, les faces de la plaque échangeuse étant en contact l'une avec une face chaude du premier groupe et l'autre avec une face froide du deuxième groupe.
Ainsi, grâce à une adaptabilité dans la circulation de fluide caloporteur et l'alimentation de manière différente des CEP adjacentes en fonction de la demande de puissance, il est permis de faire fonctionner selon deux modes une plaque échangeuse intégrée dans une unité thermoélectrique. Avec des électrovannes ou vannes similaires reliées à une unité d'automatisation, aucune intervention humaine n'est nécessaire lors du passage d'une configuration à une autre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints dans lesquels :
- la figure 1 montre un dispositif échangeur présentant des modules thermoélectriques agencés entre des plaques échangeuses et pouvant être associés en cascade ou en parallèle, conformément à un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en perspective illustrant une connexion fluidique avec les plaques échangeuses pouvant être obtenu avec le premier mode de réalisation ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'une plaque échangeuse utilisable dans un dispositif échangeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 représente un dispositif échangeur utilisant des plaques échangeuses comme celle décrite dans la figure 3, et dont le fonctionnement général est complètement similaire au dispositif de la figure 1 ;
la figure 5 représente schématiquement un dispositif échangeur fonctionnellement équivalent à celui des figures 1 et 4, dans une configuration "parallèle" ;
la figure 6 montre le dispositif échangeur de la figure 5 dans une configuration "cascade" ;
la figure 7 montre un dispositif échangeur dans une configuration en parallèle et comprenant selon un troisième mode de réalisation deux plaques échangeuses supplémentaires par rapport à l'exemple des figures 1 et 4, de sorte qu'un mode de fonctionnement "cascade" utilisant cinq plaques échangeuses peut être obtenu ;
- la figure 8 représente le dispositif échangeur de la figure 7, dans une configuration mixte ;
- les figures 9A, 9B, 9C et 9D représentent chacune une variante d'agencement de cellules CEP entre deux plaques échangeuses consécutives de l'unité thermoélectrique utilisée dans un dispositif échangeur selon l'invention ;
- les figures 10A-10B montrent, respectivement, une portion d'une unité thermoélectrique utilisée dans un dispositif échangeur conforme à l'invention ;
- la figure 1 1 représente un système de chauffage et de refroidissement utilisant un dispositif échangeur conforme à l'invention.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
Un premier mode de réalisation d'un dispositif échangeur 1 va à présent être décrit en liaison avec les figures 1 -2 et 5-6.
A la figure 1 , est représenté un dispositif échangeur 1 pouvant équiper une pompe à chaleur thermoélectrique réversible. Le dispositif échangeur 1 comporte une unité thermoélectrique 10, une première interface de connexion N1 , N2 avec un premier circuit C1 d'échange de chaleur et une deuxième interface de connexion N3, N4 avec un deuxième circuit C2 d'échange de chaleur. L'unité thermoélectrique 10 peut être agencée de façon compacte avec une alternance de plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 et de groupes 21 , 22 ayant chacun un ou plusieurs éléments thermoélectriques 20.
Dans ce premier mode de réalisation comme représenté à la figure 1 , l'unité thermoélectrique 10 présente trois plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 avec la deuxième plaque échangeuse 12 agencée entre la première plaque échangeuse 1 1 et la troisième plaque échangeuse 13. Parmi les deux faces 18, 19 opposées de la deuxième plaque échangeuse 12, la première face 18 est adjacente à un premier groupe 21 à élément(s) thermoélectrique(s) 20 et la deuxième face 19 est adjacente à un deuxième groupe 22 à élément(s) thermoélectrique(s) 20. Le premier groupe 21 permet ici de transférer de la chaleur entre la première plaque échangeuse 1 1 et la deuxième plaque échangeuse 12, tandis que le deuxième groupe 22 permet de transférer de la chaleur entre la troisième plaque échangeuse 13 et la deuxième plaque échangeuse 12. Plus généralement on comprend que, lorsqu'elles sont alimentés électriquement, les CEP des groupes 21 , 22, permettent un transfert de chaleur entre les deux plaques échangeuses consécutives 1 1 , 12 ou 12, 13, selon un sens qui est dicté par le sens d'alimentation du courant.
Avec cette configuration de l'unité thermoélectrique 10, la première plaque échangeuse 1 1 et le premier groupe 21 accolé à cette première plaque 1 1 forment un premier module d'échange thermique M1 , tandis que la troisième plaque échangeuse 13 et le deuxième groupe 22 accolé à cette troisième plaque 13 forment un deuxième module d'échange thermique M2. La deuxième plaque échangeuse 12 agencée entre ces deux modules M1 , M2 peut ainsi échanger de la chaleur avec ces derniers via ses deux faces 18, 19 qui sont ici parallèles.
Toujours en référence à la figure 1 , le dispositif échangeur 1 utilise au moins une circulation d'un fluide caloporteur tel que l'eau. Ici, la deuxième plaque échangeuse 12 présente un ou plusieurs canaux internes 31 permettant de faire circuler un tel fluide caloporteur entre ses deux faces 18, 19 dans une configuration parallèle de l'unité thermoélectrique 10. La deuxième plaque échangeuse 12 peut être qualifiée de « plaque froide » car dans ce cas les deux faces 18, 19 forment une zone de transfert vers l'extérieur d'une quantité de chaleur fournie par le fluide caloporteur traversant le ou les canaux internes 31 (l'appellation « plaque froide » étant également utilisée dans le cas d'une absorption de chaleur). Ce type de fonctionnement en parallèle est illustré schématiquement à la figure 5. On comprend que le fluide caloporteur circule à travers les canaux 31 entre au moins une entrée 32 et au moins une sortie 33 de la deuxième plaque échangeuse 12. Le système de vannes V permet de relier cette entrée 32 et cette sortie 33 à l'une et/ou l'autre des première et deuxième interface de connexion (N1 , N2 et N3, N4). Bien entendu, la circulation de fluide à travers les canaux 31 peut être inversée le cas échéant.
Dans la configuration parallèle de l'unité thermoélectrique 10 permise selon le premier mode de réalisation visible sur les figures 1 et 2, il est prévu deux entrées 32, 32' utilisées alternativement selon que le fluide caloporteur provient du premier circuit C1 ou du deuxième circuit C2. Deux sorties 33, 33' sont donc également prévues dans ce cas. Concernant la première plaque échangeuse 1 1 et la deuxième plaque échangeuse 13, un agencement identique ou analogue à celui de la deuxième plaque échangeuse 12 peut être prévu, ici avec deux entrées (1 1 a, 1 1 d ; 13a, 13d) et deux sorties (1 1 b, 1 1 e ; 13b, 13e). Les canaux internes 1 1 c de la première plaque échangeuse 1 1 et les canaux internes 13c de la troisième plaque échangeuse 13 sont agencés comme les canaux internes 31 et peuvent comprendre des mini-canaux qui s'étendent parallèlement entre deux extrémités des plaques correspondantes. Ces extrémités comportent l'une un canal d'entrée (distributeur 42) et l'autre un canal de sortie (collecteur 43) chacun de section égale ou supérieure et préférentiellement supérieure à celle des mini-canaux. Les entrées et les sorties sont définies au niveau du débouché de ces canaux respectifs d'entrée et sortie vers l'extérieur des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13.
Au moins la deuxième plaque échangeuse 12, et de préférence chacune des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 forment ici un bloc rigide qui comprend les canaux d'entrée et de sortie. Dans la deuxième plaque échangeuse 12, les canaux internes 31 ou mini-canaux présentant de préférence une même longueur L (figure 3) entre les canaux distributeur et collecteur 42, 43.
Dans des variantes de réalisation de moindre préférence, les plaques 1 1 et 13 peuvent aussi transférer de la chaleur de manière différente, avec par exemple l'une au moins des plaques 1 1 , 13 qui est associée, alternativement ou en complément, à une source de chaleur différente (ventilateur, air extérieur ou puits canadien par exemple) qui utilise un autre type de fluide caloporteur (air) que celui des premier et deuxième circuits C1 , C2. Il est cependant préférable d'avoir des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 identiques pour l'obtention d'une structure modulaire comme illustré notamment dans les figures 1 et 2. Une telle structure modulaire permet, avec une gestion de l'alimentation électrique combinée à un paramétrage dynamique de la configuration hydraulique de l'unité thermoélectrique 10, d'optimiser fortement le COP d'une pompe à chaleur équipée d'un tel dispositif échangeur 1 .
Les éléments thermoélectriques 20 ou CEP sont de préférence alimentés via l'alimentation électrique (de l'unité 24) associée à une régulation de courant. En pratique, le choix de la configuration du système est fonction du besoin de puissance coté utile ainsi que de la température nécessaire au fluide coté utile et de la température disponible du fluide coté source. Avec la connaissance de ces valeurs, il est permis de déterminer au moyen d'un automate adéquat (avec utilisation d'un algorithme pour le contrôle commande) la configuration optimale permettant de répondre au besoin en assurant le COP maximal du système. Une telle régulation peut alors imposer l'intensité électrique d'alimentation précise pour les CEP ainsi qu'un débit optimal des fluides qui circulent à travers les plaques échangeurs 1 1 , 12, 13 et la configuration hydraulique optimale.
En référence à la figure 1 , il est prévu un système de contrôle 2 qui présente une source de courant électrique 4 et une unité d'alimentation électrique 24 adaptée pour alimenter les différents groupes 21 , 22 à éléments thermoélectriques 20 à partir de la source de courant électrique 4. Ici, la source de courant électrique 4 fournit une alimentation alternative. Dans ce cas, la source de courant 4 peut alors être le réseau urbain (à 230 V comme c'est le cas dans de nombreux pays d'Europe notamment).
Dans le dispositif échangeur 1 , les interfaces de connexion N1 -N2 et N3-N4 comportent des canalisations en communication aves les canaux internes 31 , 1 1 c, 13c pour l'alimentation/évacuation de fluide caloporteur. Ces interfaces de connexion N1 - N2 et N3-N4 sont en outre équipées d'un système de vannes V, qui présente par exemple une pluralité d'électrovannes, afin qu'il soit permis de modifier le rôle de tout ou partie des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13. Pour cela le système de vannes V peut présenter, comme montré sur les figures 1 et 2, des vannes v3-v4, v9-v10 spécifiquement associées à la deuxième plaque échangeuse 12 et qui permettent de faire circuler :
- soit un fluide caloporteur du premier circuit ou du deuxième circuit dans la deuxième plaque échangeuse 12, selon un premier mode de fonctionnement ; - soit de couper cette circulation, selon un deuxième mode de fonctionnement alternatif au premier mode.
Naturellement tout type de vanne est utilisable pour assurer cette fonction, avec de préférence un organe de commande de l'ouverture/fermeture du clapet de la vanne. On comprend que la circulation du fluide peut cependant se poursuivre à travers d'autres parties d'un circuit. Ceci est réalisable par exemple en utilisant des moto-vannes qui interrompent ou court-circuitent uniquement une circulation sinueuse dans la deuxième plaque échangeuse, tandis qu'une circulation longitudinale (de préférence à distances des CEP adjacentes) ou externe à la plaque échangeuse 12 est permise. La fermeture des vannes v3-v9 et v4-v10 est nécessaire dans le mode de chauffage d'une pompe à chaleur équipée du dispositif échangeur 1 , afin d'obtenir un fonctionnement en cascade entre les plaques 1 1 et 13 sans évacuer une partie du flux transféré entre le groupe 21 et 22 vers le circuit C1 ou C2 (suivant le sens du transfert) au niveau de la plaque 12. Un système de contrôle 2 associé au dispositif échangeur 1 prévoit des moyens d'alimentation tels que des pompes P1 , P2 pour faire circuler un fluide caloporteur dans chacune des plaques échangeuses 1 1 , 12 et 13. L'unité thermoélectrique à plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 présente des connexions fluidiques avec quatre nourrices N1 , N2, N3, N4 des interfaces de connexion N1 -N2 et N3-N4. On peut considérer que les deux nourrices N1 , N2 font partie du premier circuit C1 et les deux autres nourrices N3, N4 font partie du deuxième circuit 02. Pour le sens de circulation hydraulique illustré sur les figures 1 et 4, la nourrice N3 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur utile (côté à chauffer lorsque la pompe fonctionne en mode de chauffage) et la nourrice N4 est connectée en aval de cette zone. La nourrice N2 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur avec la source (côté où l'on prélève des calories dans le mode de chauffage) et la nourrice N1 est connectée en aval de cette zone. Ici, les pompes P1 , P2 permettent de faire circuler un fluide caloporteur dans chacun des deux circuits 01 , 02. Les pompes P1 , P2 sont typiquement placées entre l'une des deux nourrices et la partie de circuit externe au boîtier ou appareil renfermant le dispositif échangeur 1 . Les pompes peuvent être classiques ou former des dispositifs de circulation à vitesse variable.
Dans l'exemple non limitatif des figures 1 -2, la première plaque échangeuse 1 1 et la troisième plaque échangeuse 13 ont une conception analogue à la deuxième plaque échangeuse 12 et sont également associées à des vannes respectives (v1 -v2 et v7-v8 ; v6-v7 et v1 1 -v12). Ainsi, chacune desdites première et troisième plaques échangeuses 1 1 , 13 sont reliées à la première interface de connexion N1 -N2 et à la deuxième interface de connexion N3-N4. Autrement dit, les interfaces de connexion N1 -N2, N3-N4 et le système de vannes V sont conçus pour que l'on puisse alimenter chaque plaque échangeuse 1 1 , 12, ou 13 avec le fluide utile ou le fluide source.
En référence à la figure 2 le dispositif échangeur 1 peut présenter une configuration rigide des interfaces de connexion N1 -N2 et N3-N4, avec par exemple pour chaque plaque échangeuse 1 1 , 12 ou 13 :
- une paire d'orifices reliées à deux nourrices N1 et N2 liées à un coté source ;
- une paire d'orifices (formant une entrée et une sortie) reliées à deux nourrices N3 et N4 liées à un coté utile.
Dans cet exemple, la nourrice N1 appartient à une partie d'alimentation en fluide caloporteur de la première interface de connexion N1 , N2, la nourrice N2 appartenant à une partie d'évacuation. De façon analogue, la nourrice N3 appartient à une partie d'alimentation en fluide caloporteur de la deuxième interface de connexion N3, N4, la nourrice N4 appartenant à une partie d'évacuation. Le fluide caloporteur de la source peut être de l'eau issue d'une boucle fermé avec un réservoir d'eau 80 (voir la figure 1 1 , ce réservoir 80 étant par exemple enterré sous terre) et/ou équipée des moyens de dissipation thermique équivalents. Plus généralement, le côté source peut présenter n'importe quel système d'échange avec l'extérieur (de type réseau ou cuve enterrée dans le sol, ou système d'échange avec l'air ou une masse d'eau).
Bien que la figure 2 montre une configuration avec des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 chacune dotées de deux paires d'orifices d'entrée et sortie, on comprend que le nombre d'orifices d'entrée et de sortie peut varier à la hausse ou à la baisse. Tout raccordement adapté peut être utilisé pour relier chacune des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 à l'une au moins des interfaces de connexion N1 -N2 et N3- N4.
Dans l'unité thermoélectrique 10 représentée à la figure 1 , la plaque échangeuse 12 placée entre les modules d'échange thermique M1 et M2 passe d'un mode de fonctionnement à un autre en fonction de commandes d'ouverture/fermeture de vannes (notamment les vannes v3-v4, v9-v10) initiées par une unité de contrôle électronique ECU ou dispositif de commande similaire du système de contrôle 2 de la pompe à chaleur 1 . Le système de contrôle 2 commande ces vannes v1 -V12 pour paramétrer la configuration d'alimentation en fluide du dispositif échangeur 1 . A titre d'exemple non limitatif, l'unité de contrôle électronique ECU peut comporter des moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des différents groupes 21 , 22 à élément thermoélectriques 20. Ces moyens de paramétrages configurent par exemple un mode d'alimentation électrique des groupes 21 , 22. Un système à commutateurs peut par exemple être utilisé pour fournir indépendamment une large gamme de tensions aux CEP de ces groupes 21 , 22, la tension étant sélectionnée en fonction des besoins. Plus généralement, chaque groupe 21 , 22 de CEP peut être alimenté indépendamment, le sens du courant variant selon les groupes et la configuration souhaitée. La façon d'alimenter électriquement les groupes 21 , 22 ne sera pas davantage détaillée ici mais on comprend que plusieurs points de fonctionnement prédéterminés sont disponibles en fonction du paramétrage de l'alimentation électrique. La ou les unités d'alimentation électrique permettant de fournir l'électricité aux différents groupes 21 , 22 de l'unité thermoélectrique 10 délivrent typiquement une tension d'alimentation continue qui peut être ajustée afin d'être optimale (tension pour laquelle un élément thermoélectrique 20 a un COP maximal). Le courant d'alimentation est de préférence un courant alternatif redressé double alternance. Un réglage par le système de contrôle 2 des débits de fluide caloporteur peut aussi être prévu.
Dans un mode de réalisation, l'unité de contrôle électronique ECU exécute un algorithme qui utilise par exemple un arbre de décisions ou une table de correspondance et qui permet alors de sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés. Grâce à l'architecture du dispositif échangeur 1 , l'algorithme est en outre adapté pour définir le mode d'alimentation en fluide caloporteur qui convient le mieux parmi le mode « parallèle » tel qu'illustré à la figure 5 ou le mode « cascade » tel qu'illustré à la figure 6. Ainsi, avec une plaque échangeuse 12 adaptée pour un échange par conduction, l'unité de contrôle électronique ECU peut activer, en fonction de la sélection du point de fonctionnement par l'algorithme, un transfert de chaleur généré par une configuration en cascade.
La figure 6 illustre le transfert de chaleur généré dans une configuration en cascade du dispositif échangeur 1 . Dans cet exemple, la première plaque échangeuse 1 1 est alimentée par le fluide source (issu ici du premier circuit C1 ) et la troisième plaque échangeuse 13 est alimentée par le fluide utile (issu ici du deuxième circuit C2). Le phénomène de cascade thermique se produit entre ces deux plaques échangeuses 1 1 , 13 par l'intermédiaire des CEP des groupes 21 et 22 et de la deuxième plaque échangeuse 12.
Dans une configuration en cascade du dispositif échangeur 1 à plusieurs plaques échangeuses 1 1 , 12, 13, l'association réalisée permet de faire fonctionner des CEP avec une puissance particulièrement faible en conservant un COP élevé. L'unité thermoélectrique 10 fonctionnant dans ce mode est donc intéressante pour obtenir selon un fonctionnement optimal un complément de puissance d'une valeur inférieure à la puissance optimale fournie par un seul groupe 21 ou 22.
De préférence, la même intensité électrique est appliquée à chacune des CEP des groupes 21 -22. Comme le fluide caloporteur ne circule pas dans le ou les canaux internes 31 de la deuxième plaque échangeuse 12, celle-ci transfère la chaleur par conduction entre ses deux faces 18, 19. En revanche, un fluide caloporteur circule dans les plaques 1 1 , 13 adjacentes et l'unité d'alimentation électrique 24 fournit de l'électricité respectivement au premier groupe 21 d'éléments thermoélectriques et au deuxième groupe 22 d'éléments thermoélectriques, de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse 12 un flux thermique entre une face chaude du premier groupe 21 et une face froide dudit deuxième groupe 22. On peut considérer que le transfert thermique depuis le fluide source vers le fluide utile a lieu par convection au niveau de la plaque échangeuse 1 1 puis par conduction seule au niveau de la plaque échangeuse 12 (non alimentée en fluide caloporteur par fermeture des vannes associées) et enfin par convection au niveau de la troisième plaque échangeuse 13 afin de céder des calories au fluide utile.
Il faut bien entendu comprendre que la cascade pourrait être étendue ou être obtenue de manière différente lorsque le dispositif échangeur 1 présente davantage de plaques échangeuses (voir par exemple ci-après le troisième mode de réalisation du dispositif échangeur 1 ).
En référence maintenant aux figures 1 et 5, un fonctionnement en parallèle du dispositif échangeur 1 est présenté. Dans la configuration parallèle, le système de vannes V permet de faire circuler dans les canaux 31 de la deuxième plaque échangeuse 12 un fluide caloporteur provenant d'un circuit différent du fluide caloporteur circulant dans les plaques échangeuses adjacentes 1 1 et 13. L'unité d'alimentation électrique 24 est alors paramétrée pour alimenter le premier groupe 21 de CEP et le deuxième groupe 22 de CEP de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse 12 deux flux thermiques opposés.
Dans l'exemple de fonctionnement de la figure 5, les flux unitaires de fluide caloporteur (côté source et côté utile) ne varient pas d'une plaque échangeuse à l'autre et la même intensité est fournie à chacun des éléments thermoélectriques 20 des groupes 21 -22. Le sens du courant électrique parcourant les groupes 21 -22 est adapté de manière à avoir un flux opposé. On comprend que le débit dans les plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 qui jouent un même rôle (soit dissipation de flux thermique, soit absorption de flux thermique) est invariant. Ici on a donc le même débit traversant les première et troisième plaques échangeuses 1 1 , 13. Le réglage du débit de circulation du fluide caloporteur du premier circuit C1 à travers les canaux 1 1 c de la première plaque échangeuse 1 1 est réalisé ici au niveau d'une ou deux vannes v1 -v7 (figure 1 ). De façon analogue, le réglage du débit de circulation du fluide caloporteur du premier circuit C1 à travers les canaux 13c de la troisième plaque échangeuse 13 est réalisé ici au niveau d'une ou deux vannes v5-v1 1 (figure 1 ).
Le système de contrôle 2 active ici une configuration du système de vannes V permettant d'engendrer deux flux unitaires utiles Fu au niveau de la plaque échangeuse 12. Dans l'exemple de la figure 5 (alimentation de la deuxième plaque échangeuse 12 avec le fluide utile, provenant du circuit C2), on comprend que la deuxième plaque échangeuse 12 absorbe ainsi deux fois le flux unitaire utile (à travers ses deux faces 18, 19) tandis que les première et troisième plaques échangeusesl 1 , 13 dissipent une fois le flux unitaire source.
On comprend que les vannes v2, v8 et v6, v12, ici fermées pour obtenir le fonctionnement illustré à la figure 5, pourraient être sélectivement ouvertes et servir (en lieu et place des vannes v1 , v7 et v5, v1 1 ) dans le cas d'un fonctionnement inverse de la pompe à chaleur équipé du dispositif échangeur 1 . On peut en effet alimenter la deuxième plaque échangeuse 12 avec le fluide source (provenant ici du circuit C1 ), la vanne v3 sera ouverte et la vanne v4 sera fermée pour empêcher l'entrée du fluide utile, qui provient du circuit C2. La vanne v9 sera ouverte pour assurer le retour du fluide vers la source et la vanne v10 sera fermée pour empêcher au fluide de partir vers la zone utile. Dans ce cas inverse (non représenté), on comprend que la deuxième plaque échangeuse 12 serait traversée par le fluide caloporteur provenant du côté source (circuit C1 ) et dissiperait deux fois le flux unitaire source (avec un flux orienté de la face 18 vers les CEP adjacentes et un flux orienté de la face 19 vers CEP adjacentes). Il peut aussi être noté que dans les deux cas, et de manière générale, les deux plaques échangeuses (ici plaques 1 1 et 13) situées aux extrémités de l'unité thermoélectrique 10 ne doivent dissiper ou absorber (selon le cas) qu'un seul flux unitaire. Dans cet exemple, les plaques échangeuses 1 1 , 13 aux extrémités peuvent être traversées par un fluide caloporteur ayant un débit adapté de façon à ce que la température moyenne de ce fluide soit égale à la température moyenne du même fluide dans les autres plaques échangeuses du système. Cela revient globalement à un débit 2 fois moindre que celui dans les plaques échangeuses à double fonction parcourues par le même fluide.
En référence à la figure 1 , un COP optimisé peut être obtenu pour la pompe à chaleur thermoélectrique réversible équipée du dispositif échangeur 1 , en exploitant des données de contexte. En particulier, pour le choix des commandes de sortie qui vont permettre de configurer l'alimentation électrique et le mode de connexion fluidique, l'unité de contrôle électronique ECU collecte les données de consigne et peut utiliser en outre différentes entrées analogiques, par exemple fournies à l'aide de capteurs de température 30. Il peut s'agir, de façon connue en soi, de capteurs mesurant des températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur C1 -C2, et d'autre part de capteurs mesurant la température extérieure à l'habitation ou local similaire équipé avec la pompe à chaleur, ainsi que la température ambiante de l'habitation. Plus généralement, l'ensemble de capteurs de température 30 est prévu pour fournir des informations suffisantes pour une estimation des conditions dans lesquelles est réalisé le transfert de chaleur.
L'unité de contrôle électronique ECU peut aussi recevoir des entrées tout ou rien, numériques dans un mode de réalisation préféré, pouvant correspondre à l'un au moins des ordres suivants :
- Commande de mise en marche de la pompe à chaleur, avec par exemple une mise sous tension de l'automate (cet ordre est typiquement manuel et donné par l'utilisateur en appuyant sur un bouton en façade) ;
- Commande de mise en marche du mode chauffage (cet ordre est également typiquement manuel) ;
- Commande de mise en marche du mode rafraîchissement (cet ordre est également typiquement manuel) ; et
- L'ordre de chauffage ou de rafraîchissement par le thermostat d'ambiance en fonction de l'écart de température entre la température ambiance et la consigne dans l'habitat.
Un convertisseur CAN de l'unité de contrôle électronique ECU permet de collecter les différentes entrées. L'exploitation des informations correspondantes peut être réalisée au niveau de l'unité de contrôle électronique ECU du dispositif de commande. On comprend que la température de consigne (il peut s'agir d'une température ambiante souhaitée) indiquée par l'utilisateur est prise ainsi en compte de façon à déterminer la température qu'il faudrait atteindre dans les circuits de fluide caloporteur pour répondre à la demande de l'utilisateur. La connaissance de la résistance thermique globale de l'échangeur situé dans le local à réchauffer ou rafraîchir et préférentiellement de la température extérieure et la résistance thermique globale de l'habitat peuvent permettre une corrélation entre une température de consigne paramétrée directement par un utilisateur et le besoin réel en transfert de chaleur.
Ainsi, un asservissement d'un paramètre représentatif du besoin en transfert de chaleur, par exemple une température moyenne d'eau obtenue à partir des températures mesurées par deux des capteurs 30, peut être mis en œuvre par utilisation d'un paramètre de consigne correspondant.
L'unité de contrôle électronique ECU permet de commander de manière dynamique le système de vannes V du dispositif échangeur 1 . L'unité de contrôle électronique ECU est en liaison avec le système de vannes V pour paramétrer la configuration souhaitée parmi la ou les configurations en cascade, en parallèle et éventuellement mixte disponibles. L'unité de contrôle électronique ECU peut bien entendu être réalisée de diverses manières. La façon de gérer la pompe à chaleur ne sera pas détaillée davantage ici, étant entendu que différents modes de gestion des données de contexte peuvent être utilisés.
La pompe à chaleur peut être plus particulièrement destinée aux applications de chauffage basse température et de rafraîchissement pour l'habitat. La pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un boîtier ou d'un appareil avec en façade un panneau de commande (non représenté). Une interface de commande (non représentée) et le dispositif échangeur 1 sont par exemple agencés dans le boîtier. La pompe à chaleur est typiquement destinée à chauffer des locaux d'habitation ou professionnels, mais aussi à rafraîchir ces locaux grâce à l'utilisation des CEP. La pompe à chaleur thermoélectrique , qui regroupe ici le dispositif d'échangeur 1 à unités thermoélectriques 10 et le système de contrôle 2, est donc préférentiellement réversible. Plusieurs pièces d'un local d'habitation peuvent être chauffées, respectivement rafraîchies, à l'aide de boucles d'échanges de chaleur raccordées au boîtier. Les locaux d'habitation en question sont typiquement des habitations individuelles allant d'un appartement de quelques pièces à une maison individuelle. La puissance est donc typiquement prévue entre trois et trente kilowatts de puissance de chauffage maximale, sans que cette dernière valeur constitue une limite supérieure (la limite inférieure pouvant par ailleurs être plus faible, par exemple inférieure à un kilowatt).
La circulation de fluide(s) caloporteur(s) est réalisée à travers des canalisations en contact thermique avec les faces de même type des groupes 21 , 22 à éléments thermoélectriques 20 de même type. On comprend que le transfert de chaleur entre les deux circuits C1 , C2 peut être réalisé en utilisant toute configuration adaptée de circuit caloporteur. Quelle que soit la configuration adoptée, la face d'une CEP qui pompe de la chaleur se trouve typiquement à une température plus froide que la face qui évacue de la chaleur. Une température de consigne peut être entrée par l'intermédiaire d'un module de programmation ou dispositif comparable de la pompe à chaleur, lequel module est par exemple relié à l'interface de commande et fait partie de l'unité de contrôle électronique ECU ou dispositif de commande similaire. La température de la face de la CEP qui pompe de la chaleur et la température de consigne forment un couple de paramètres déterminant pour l'obtention d'un coefficient de performance (COP) maximal. Le besoin de puissance étant géré par les modes d'associations, il n'intervient pas sur le COP. Un deuxième mode de réalisation d'un dispositif échangeur 1 va à présent être décrit en liaison avec les figures 3-4.
En référence au dispositif échangeur 1 illustré à la figure 4, l'agencement de l'unité thermoélectrique 10 est similaire au premier mode de réalisation. Ainsi, la conception des interfaces de connexion N1 -N2, N3-N4 et du système de vannes V permet une alimentation de chaque plaque échangeuse 1 1 , 12, ou 13 avec le fluide utile ou le fluide source. Cependant, les plaques échangeuses 1 1 , 12, 13 comportent dans cet exemple une seule paire d'orifices d'entrée/sortie (1 1 a, 1 1 b : 13a, 13b ; 32, 33) avec la possibilité par des paires de vannes du système de vannes V de modifier le fluide caloporteur circulant dans la plaque échangeuse 1 1 , 12 ou 13. A titre d'exemple non limitatif, on associe à la deuxième plaque échangeuse 12 une paire de flexibles d'un côté entrée et une paire de flexibles d'un côté sortie. Quatre électrovannes v3-v4 et v9-v10 ou dispositifs similaires sont associées à la deuxième plaque échangeuse 12 (deux à l'entrée du fluide et deux à sa sortie). Cette configuration est applicable à tout ou partie des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13, les quatre électrovannes étant liées via les flexibles à la plaque échangeuse correspondante. Les vannes v1 -v12 du système de vannes V, qui sont par exemple des électrovannes, sont ici en nombre supérieur ou égal au quadruple du nombre de plaques échangeuses. Cependant, le nombre de vannes pourrait aussi être réduit à deux tout en conservant la possibilité de contrôler la circulation de fluide caloporteur dans la deuxième plaque échangeuse 12 pour configurer cette dernière dans l'un ou l'autre des deux modes de fonctionnement susmentionnés.
La figure 3 illustre un exemple non limitatif de structure de la deuxième plaque échangeuse 12. La plaque échangeuse 12 présente ici un canal distributeur 42 distribuant le fluide dans les canaux internes 31 (formant des mini-canaux) perpendiculaires au canal distributeur 42. Le fluide est ensuite récupéré dans un canal collecteur 43 perpendiculaire aux canaux internes 31 . La circulation du fluide dans le canal distributeur 42 et le canal collecteur 43 est ici orientée de la même façon. Les diamètres respectifs Dd et De du canal distributeur 42 et du canal collecteur 43 peuvent être identiques afin d'avoir une réversibilité possible du sens de circulation des fluides. L'échange thermique a majoritairement lieu au niveau des canaux internes 31 (mini-canaux). Typiquement, la surface (largeur I x longueur L) occupée par les canaux internes 31 correspond à la surface de la ou des CEP des groupes 21 et 22. La plaque échangeuse 12 est à base d'un matériau ayant une haute conductivité thermique tel que le cuivre ou l'aluminium. Dans le premier ou deuxième mode de réalisation, il peut être avantageux de prévoir, au moins dans la deuxième plaque échangeuse 12 et de préférence dans chacune des plaques échangeuses 1 1 , 12, 13, un nombre suffisant de canaux internes 31 . Le nombre de canaux internes 31 peut être compris entre 2 et 50, de préférence entre 5 et 40. Dans l'exemple non limitatif de la figure 3, la plaque échangeuse 12 comprend ainsi sept canaux internes 31 pour répartir le fluide caloporteur de manière homogène le long de la surface des deux faces opposées 18, 19 de la plaque échangeuse 12. Un nombre supérieur de canaux 31 peut être choisi, par exemple au moins vingt canaux. Comme cela est visible sur la figure 3, les canaux distributeur et collecteur 42, 43 peuvent présenter une section interne sensiblement constante. Le rapport des diamètres entre ces canaux débouchant à l'extérieur et les canaux internes 31 de plus petite section est par exemple compris entre 1 ,5 et 10, de préférence entre 2 et 8. L'espacement E entre deux canaux internes 31 adjacents peut être du même ordre de grandeur et même sensiblement égal au diamètre des canaux internes 31 . L'espacement E entre deux canaux adjacents est dans cet exemple inférieur à 4mm et de préférence inférieur ou égal à 2,5mm. Ceci n'est donné qu'à titre d'exemple, d'autres géométries étant utilisables notamment en fonction de la forme et les dimensions des CEP. Plus généralement, les dimensions d'une telle plaque peuvent évoluer en fonction des conditions opératoires (Intensité fournie aux CEP, débit des fluides caloporteurs). Ces conditions sont choisies pour obtenir le COP de la pompe à chaleur le plus élevé pour la gamme de fonctionnement. Les phénomènes thermoélectriques, thermiques et fluidiques sont donc pris en compte. Le COP de la pompe à chaleur est défini comme étant le rapport du flux thermique utile sur toutes les consommations (électrique et mécanique).
Un troisième mode de réalisation d'un dispositif échangeur 1 va à présent être décrit en liaison avec les figures 7-8.
Dans l'exemple de la figure 7, c'est la plaque échangeuse 13 en position centrale qui absorbe 2 fois le flux unitaire utile et les plaques échangeuses 1 1 , 15 disposées aux extrémités une fois. On comprend que les plaques échangeuses 12 et 14 dissipent chacune deux fois le flux thermique unitaire pompé au fluide provenant de la source (dissipation respectivement vers les plaques échangeuses 1 1 et 13 pour la plaque 12 ; et vers les plaques échangeuses 13 et 15 pour la plaque 14).
Dans cet exemple, les plaques échangeuses additionnelles 12 et 14 sont associées à des vannes permettant de couper la circulation de fluide caloporteur, ce grâce à quoi un mode "tout cascade" peut être obtenu. Dans un tel mode en cascade complète, de façon similaire à ce qui est présenté à la figure 6, seules les plaques échangeuses 1 1 et 15 aux extrémités sont parcourues par un fluide : l'une par le fluide utile, l'autre par le fluide source. Le phénomène de cascade thermique a lieu entre ces deux plaques échangeuses 1 1 et 15 via les CEP et les plaques échangeuses 12, 13, 14. La même intensité électrique peut être appliquée à chacune des CEP. Le transfert thermique depuis le fluide source vers le fluide utile a lieu par convection au niveau de la plaque échangeuse 1 1 puis par conduction seule au niveau des plaques échangeuses 12, 13 et 14 et enfin par convection au niveau de la plaque échangeuse 15 (avec restitution de calories au fluide utile dans le cas d'un mode de chauffage).
En référence à la figure 8, il est montré que la cascade peut être modifiée ou réduite. Cet exemple montre un fonctionnement mixte, dans lequel les associations entre CEP sont réalisées d'un côté et de l'autre d'une plaque échangeuse intermédiaire (ici la plaque échangeuse 13). Dans ce cas, le fluide source circule dans les deux plaques échangeuses 1 1 , 15 aux extrémités et on obtient, en faisant circuler le fluide utile uniquement dans la plaque échangeuse 13, deux flux thermiques identiques transférées vers ce fluide provenant du côté utile. Le transfert est réalisé par conduction au travers de chacune des plaques échangeuses 12 et 14. Le fluide utile parcourant la plaque échangeuse 13 dissipe alors ces deux flux via un transfert convectif.
Une configuration différente mais équivalente serait d'inverser les fluides par rapport à l'exemple de la figure 8 (le fluide source circulant dans la plaque échangeuse 13 dans ce cas), de sorte que les deux flux thermiques se divisent alors pour être transférés au fluide utile au niveau des plaques échangeuses 1 1 et 15.
De préférence lorsque le nombre de plaques échangeuses est supérieur à trois, le système de vannes V peut présenter des vannes supplémentaires par rapport aux exemples des figures 1 et 4. Plus généralement, on comprend qu'un plus grand nombre de combinaisons peut être obtenu avec un nombre de plaques échangeuses 1 1 , 12, 13, 14, 15 au mois égal à cinq et un système de vannes V permettant un choix de fonctionnement pour au moins deux ou trois plaques échangeuses, ce qui permet in fine de mieux gérer la pompe à chaleur et d'optimiser le COP.
Bien que le nombre de plaques échangeuses 1 1 -15 soit égal à cinq dans l'exemple des figures 7-8, on comprend que ce nombre peut varier. Plus généralement, on peut prévoir au moins une unité thermoélectrique 10 qui présente un empilement de respectivement n et n' modules d'échange thermique, agencés de part et d'autre d'une plaque échangeuse à double fonction (c'est-à-dire comparable dans son fonctionnement à celui de la plaque échangeuse 12 illustrée dans les figures 5 et 6), chacun de ces n et n' modules présentant une superposition de deux couches avec :
- une plaque échangeuse formant l'une des deux couches ; et
- un groupe 21 , 22 d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques 20 formant l'autre des deux couches.
Parmi les n modules, on trouve le premier module d'échange thermique M1 . De la même façon parmi les n' modules, on trouve le deuxième module d'échange thermique M2. Bien entendu, n et n' sont des nombres entiers non nuls qui ne sont pas nécessairement identiques. Dans un mode de réalisation préféré, les nombres n et n' sont identiques de façon à avoir une symétrie de part et d'autre de la plaque échangeuse centrale.
De préférence, les plaques échangeuses 1 1 , 12, 13, 14 des n et n' modules sont préférentiellement identiques et présentent chacune au moins un canal interne 1 1 c, 13c, 31 adapté pour faire circuler un fluide caloporteur. Il peut être prévu un agencement compact de l'unité thermoélectrique 10 qui s'étend entre une première face externe f1 appartenant à une plaque échangeuse 1 1 située à une extrémité d'empilement des n modules d'échange thermique et une deuxième face externe f2 opposée à ladite première faxe externe f 1 .
On peut noter qu'il est permis de faire fonctionner le dispositif échangeur 1 dans de diverses configurations tout en conservant un nombre d'organes de pompage P1 , P2 qui est minimisé (deux pompes P1 , P2 seulement et pas de circulation dans des boucles intermédiaires non directement reliées à l'un des deux circuits C1 , C2).
En référence aux figures 9A-9D et 10A-10B, des exemples d'agencement des éléments thermoélectriques 20 vont être à présent décrits. Bien entendu, ces exemples peuvent être utilisés dans n'importe quel mode de réalisation du dispositif échangeur 1 .
Une ou un ensemble de CEP peuvent être utilisées dans chacun des groupes 21 , 22 utilisés pour transférer de la chaleur entre deux plaques adjacentes 1 1 , 12 parmi les plaques échangeuses 1 1 -15. La figure 9A montre un agencement conventionnel avec une seule CEP dont les dimensions coïncident sensiblement avec les dimensions des plaques échangeuses. La figure 9B montre un groupe d'éléments éléments thermoélectriques 20 (il s'agit par exemple d'au moins deux CEP) agencés sous la forme d'une couche directement en contact avec les plaques échangeuses. L'un au moins parmi les groupes 21 , 22 d'éléments thermoélectriques 20 agencés contre la deuxième plaque échangeuse 12 peut ainsi comporter une pluralité N de CEP (N étant un nombre entier). Cette association en parallèle permet de multiplier la puissance en maintenant le COP. Bien entendu, le nombre d'éléments thermoélectriques 20 n'est pas figé et peut être variable, par exemple et de manière non limitative compris entre deux et dix par groupe 21 , 22 utilisé dans un module d'échange de chaleur M1 , M2.
Comme le montre la figure 9C, on peut aussi associer en cascade un nombre entier N' de CEP directement entre deux plaques échangeuses afin d'améliorer le COP avec comme contrepartie une baisse de la puissance utile. Au moins deux cellules à effet Peltier sont ainsi superposées. La figure 9D montre qu'on peut utiliser un agencement mixte avec ces deux types d'association.
En référence à la figure 10A, l'un au moins des groupes 21 , 22 d'éléments thermoélectriques 20 peut comporter des couches opposées L1 , L2 formées respectivement par un premier substrat diélectrique et un deuxième substrat diélectrique. De façon conventionnelle, les éléments thermoélectriques 20 présentent une pluralité de semi-conducteurs de type n et de type p, formant des couples thermoélectriques connectés en série. Comme cela est visible sur la figure 10A, les éléments thermoélectriques 20 comportent en outre, de part et d'autre de ces semiconducteurs :
- des premiers moyens conducteurs 25 agencés contre la première couche L1 et en contact avec les semi-conducteurs,
- des seconds moyens conducteurs 26 agencés contre la deuxième couche L2 et en contact avec les semi-conducteurs.
Les contacts de conduction 25, 26 peuvent être réalisés à partir de n'importe quel matériau habituellement utilisé pour ce genre d'application et peuvent être identiques. L'association de ces éléments thermoélectriques 20 avec la plaque 1 1 forme le module M1 (ici placé en dessous de la deuxième plaque échangeuse 12). Typiquement, les couches L1 , L2 comprennent essentiellement de la céramique.
Dans la variante de réalisation de la figure 10B, les couches L1 et L3 sont supprimées, de sorte que les plaques échangeuses 1 1 , 12 sont directement fixées aux contacts de conduction 25, 26. On comprend dans ce cas que les cellules CEP sont dans ce cas dépourvues de céramique ou couche externe similaire, la plaque échangeuse 1 1 , 12 remplaçant cette couche L1 , L2 pour assurer une tenue mécanique convenable pour les semi-conducteurs (éléments de type n et de type p). La plaque échangeuse 1 1 , 12, qui possède un coefficient de conductivité thermique élevé, peut dans ce cas présenter en outre un composant ou film d'isolation électrique formant tout ou partie d'une enveloppe de la plaque échangeuse 1 1 , 12. A titre d'exemple non limitatif, un film plastique de bonne conductivité thermique pourrait être utilisé pour cette fonction d'isolation électrique (ainsi du Kapton®, du Mylar® ou du Téflon® peut être employé).
Cet agencement permet un gain de matière et un gain en compacité ainsi qu'une baisse de la résistance thermique et donc une amélioration du COP. Bien entendu, le groupe 21 ' ayant une telle structure peut être utilisé en remplacement de tout ou partie des groupes 21 , 22 précédemment décrits, quelle que soit la configuration des plaques échangeuses 1 1 -15.
Dans les exemples qui précèdent, le dimensionnement de l'unité thermoélectrique 10 peut suffire à répondre au besoin en puissance maximale grâce à un nombre de cellules thermoélectriques et de plaques échangeuses associées suffisant. Si toutefois l'unité thermoélectrique 10 élémentaire ne pouvait assurer le besoin maximal en terme de puissance, il est bien entendu possible d'associer en parallèle hydrauliquement plusieurs unités thermoélectriques 10, 10' comme l'illustre la figure 1 1 . Il peut aussi être prévu quatre circulateurs (deux pour l'unité 10 et deux pour le l'unité 10'), de sorte que chacune des unités thermoélectriques 10 et 10' alimente séparément une surface rayonnante hydraulique. Dans ce cas, on obtient un générateur de chauffage/rafraichissement par pièce ou par zone.
En référence à la figure 1 1 , il est montré un exemple non limitatif d'application d'une pompe à chaleur équipée du dispositif échangeur 1 . La pompe à chaleur équipée du système de contrôle 2 est réversible grâce à la possibilité d'inverser le courant d'alimentation pour tout ou partie des groupes 21 , 22 à éléments thermoélectriques 20.
Dans ce mode de réalisation, la pompe à chaleur présente un dispositif échangeur 1 à deux unités thermoélectriques 10, 10' qui sont associées en parallèle hydrauliquement. Ceci permet de répondre à un besoin supérieur en puissance en conservant un COP optimisé. Il est ici prévu d'échanger de l'énergie calorifique avec une surface radiante, en l'occurrence comprise dans un local d'habitation 5, par utilisation des unités thermoélectriques 10, 10' qui incorporent chacune une pluralité de CEP.
Le local d'habitation 5 échange de l'énergie calorifique avec le milieu extérieur. La surface S (plancher, mur ou plafond) reçoit cette chaleur et constitue ainsi une surface radiante. Afin de régler la température de ce local d'habitation 5, un échangeur 200 à fluide caloporteur (par ex. un liquide tel que l'eau) est disponible. Cet échangeur 200 est inséré dans le sol sous la surface S du local d'habitation 5 sous la forme d'au moins une canalisation 100 présentant une forme de serpentin afin de maximiser la surface d'échange. Ici, il peut s'agit de canalisations 100 qui font partie des circuits C2, C2' (circuits du côté utile). Le fluide caloporteur appelé fluide utile est mis en circulation dans les circuits C2, C2' grâce à des pompes appropriées P2, P2'. Les CEP des différents groupes 21 , 22 de l'unité thermoélectrique 10, 10' sont alimentées électriquement par une tension électrique fournie via des lignes de contrôle 28, 29 reliées à l'unité d'alimentation 24.
Dans une configuration de rafraîchissement de la pompe à chaleur, la dissipation de l'énergie calorifique échangée par les faces chaudes des CEP des unités thermoélectrique 10 et 10' est réalisée par la circulation (assurée par les pompes P1 et P1 ') des fluides caloporteurs respectivement dans les circuits C1 et C1 '. Ici, la source 80 correspond à une masse d'eau stockée dans un réservoir 80 enterré, ce qui constitue un exemple non limitatif de moyen de dissipation.
Grâce à la possibilité de choisir le nombre de CEP actives et la configuration hydraulique des dispositifs échangeurs 1 , on comprend que le nombre de CEP en fonctionnement et le mode d'utilisation de ces CEP peut avantageusement évoluer de façon dynamique pour répondre à un large nombre de couples (Quantité de chaleur pour le chauffage/Température moyenne de l'eau du circuit émetteur C2) et (Quantité de chaleur pour le rafraîchissement/ Température moyenne de l'eau du circuit émetteur C2). Comme ce couple varie en fonction du temps et de la conception du système global intégrant la pompe à chaleur, le système de contrôle 2 exploite les données des capteurs 30 en faisant exécuter par l'algorithme, de façon répétée, un processus de détermination du nombre de CEP en fonctionnement, avec une détermination simultanée du mode d'alimentation optimal de ce nombre déterminé de CEP qui satisfait le besoin réel pour la consommation électrique minimale.
Dans le mode de rafraîchissement, l'effet entropique est favorable puisque l'on cherche à évacuer la chaleur du milieu ambiant dont la température est généralement plus élevée que celle du sol (dans le cas d'un capteur enterré). Pour exploiter cet effet dans le mode de rafraîchissement, on peut laisser circuler le fluide caloporteur dans les groupes 21 , 22 et/ou baisser localement la résistance thermique par tout autre moyen connu. L'effet entropique est défavorable en mode chauffage ; un matériau thermoélectrique performant/plus performant avec une conductivité thermique plus faible peut constituer un moyen d'atténuer cet effet entropique. Il est permis, pour une pompe à chaleur équipée du dispositif échangeur selon l'invention, de paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement prédéterminés de la pompe à chaleur, de façon à définir des configurations chacune différentes, dans le but de mieux correspondre à un besoin spécifique en transfert de chaleur. Les modes de fonctionnement peuvent être paramétrés en fonction, d'une part, d'un nombre de CEP qui sont activées, et d'autre part, de tensions d'alimentation chacune associées aux CEP qui sont activées.
Comme l'augmentation de la tension d'alimentation affectée à chaque CEP a tendance à abaisser le COP au-delà d'une certaine valeur et pour des conditions de température données, la faculté de modifier les connexions fluidiques permet d'ajouter des options pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'augmenter la tension d'alimentation au-delà de ce qui est suffisant pour obtenir un point de fonctionnement optimal de la CEP. Ainsi, l'unité de contrôle électronique ECU peut être adaptée pour régler la tension d'alimentation des CEP et configurer la pluralité de vannes v1 -v12 de façon à sélectionner un mode de chauffage avec un nombre total de CEP (par une alimentation sélective des groupes 21 , 22) suffisant pour répondre aux besoins de transfert de chaleur, et délivrer un courant d'alimentation juste suffisant pour optimiser le COP.
Pour un couple de températures mesurées par les capteurs 30 dans les deux circuits C1 , C2, il existe un courant d'alimentation unique pour lequel une CEP considérée possède un COP maximal (cf. figure 5 de la demande de brevet FR n ° 09 59196, illustrant un exemple de modélisation appelé « loi d'eau » dans le cas où le fluide caloporteur est de l'eau). Autrement dit, on peut associer à un tel point de fonctionnement un couple unique de flux de chaleur pour le transfert de chaleur dans les deux circuits émetteur et récepteur de chaleur.
La pompe à chaleur peut être contrôlée en procédant comme suit :
- on connecte dans une étape préliminaire la pompe à chaleur à une source de courant électrique 4 ;
- on programme au moins une consigne de température ;
- on délivre à la suite d'une étape de mesure, par les capteurs de température 30, des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur C1 , C2 ;
- lors d'une étape de détermination des besoins en transfert de chaleur, on utilise l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU et on calcule en fonction de la consigne de température et des signaux délivrés par l'ensemble de capteurs de température 30 des paramètres représentatifs d'un besoin de transfert de chaleur (pouvant inclure la puissance de chauffage ou de rafraîchissement et une température caractéristique dans le circuit émetteur d'un tel chauffage ou rafraîchissement) ;
- dans une étape mise en œuvre par l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU, on détermine le nombre de CEP suffisant (en fonction du couple puissance/température du fluide dans les circuits), de façon à conserver un COP optimisé ; un courant d'alimentation optimal de ces CEP est également déterminé ; en pratique, c'est une sélection de configuration d'alimentation fluidique et électrique, avec l'activation d'un nombre déterminé de CEP, qui permet d'obtenir un fonctionnement optimal de la pompe à chaleur (fonctionnement dans lequel chacune des CEP a une puissance optimale et la puissance fournie coïncide avec la puissance utile désirée).
Un des avantages de l'invention est que le dispositif échangeur peut rester relativement compact tout en étant optimisé par un réglage des connexions fluidiques. Ceci permet de mieux répondre aux besoins en transfert de chaleur. Le fonctionnement avec une configuration en cascade est ainsi avantageux notamment dans le cas où la puissance utile désirée est inférieure à la puissance optimale générée par une seule CEP. En outre, on peut fournir à l'opérateur un moyen d'optimiser la consommation électrique de la pompe à chaleur tout en utilisant une configuration modulaire (plaques échangeuses identiques et groupes d'éléments thermoélectriques identiques). L'optimisation est automatisée pour assurer un fonctionnement performant de la pompe à chaleur. La rapidité de réponse et la flexibilité du système de contrôle 2 sont également des avantages d'une telle pompe à chaleur.
On comprend que chacune des formes et des détails de réalisation décrits précédemment peuvent être utilisés isolément ou en combinaison. Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. L'expression « plaque échangeuse », ne doit pas être interprétée de manière restrictive et peut servir à désigner tout échangeur élémentaire adapté pour un échange de chaleur entre deux faces opposées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif échangeur (1 ) pour une pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant une première interface de connexion (N1 , N2) avec un premier circuit (C1 ) d'échange de chaleur, une deuxième interface de connexion (N3, N4) avec un deuxième circuit (C2) d'échange de chaleur, et une unité thermoélectrique (10) qui comprend :
- une première plaque échangeuse (1 1 ),
- une deuxième plaque échangeuse (12),
- une troisième plaque échangeuse (13), la deuxième plaque échangeuse (12) étant agencée entre la première plaque échangeuse et la troisième plaque échangeuse,
- un premier groupe (21 ) d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques (20) adaptés pour transférer de la chaleur entre la première plaque échangeuse (1 1 ) et la deuxième plaque échangeuse (12), la deuxième plaque échangeuse (12) présentant deux faces (18, 19) opposées, une première (18) des deux faces étant adjacente audit premier groupe (21 ),
- un deuxième groupe (22) d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques (20) adaptés pour transférer de la chaleur entre la troisième plaque échangeuse (13) et la deuxième plaque échangeuse (12), la deuxième (19) des deux faces de ladite deuxième plaque échangeuse (12) étant adjacente audit deuxième groupe (22), la première plaque échangeuse (1 1 ) et ledit premier groupe (21 ) formant un premier module d'échange thermique (M1 ), tandis que ledit deuxième groupe (22) et la troisième plaque échangeuse (13) forment un deuxième module d'échange thermique (M2),
caractérisé en ce que au moins la deuxième plaque échangeuse (12) parmi lesdites plaques échangeuses présente au moins un canal interne (31 ) permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre au moins une entrée (32) et au moins une sortie (33) de la plaque échangeuse, ledit au moins un canal interne (31 ) de la deuxième plaque échangeuse (12) s'étendant entre les deux faces (18, 19) de celle-ci, ladite entrée (32) et ladite sortie (33) étant reliées à la première interface de connexion (N1 , N2) et à la deuxième interface de connexion (N3, N4), et en ce que la première interface de connexion (N1 , N2) et la deuxième interface de connexion (N3, N4) comportent un système de vannes (V) qui présente au moins une vanne (v3;v9) et de préférence au moins deux vannes (v3-v9, v4-v10) associée(s) à la deuxième plaque échangeuse (12) et permettant de commander sélectivement :
la circulation du fluide caloporteur dans la deuxième plaque échangeuse (12) selon un premier mode de fonctionnement ;
- l'arrêt de la circulation du fluide caloporteur dans la deuxième plaque échangeuse (12) selon un deuxième mode de fonctionnement alternatif au premier mode.
2. Dispositif échangeur selon la revendication 1 , dans lequel la première plaque échangeuse (1 1 ) et la troisième plaque échangeuse (13) comportent chacune au moins un canal (1 1 c, 13c) permettant de faire circuler un fluide caloporteur, la première interface de connexion (N1 , N2) et à la deuxième interface de connexion (N3, N4) étant reliées à chacune desdites première et troisième plaque échangeuses (1 1 , 13), ledit système de vannes (V) présentant :
au moins une vanne et de préférence deux vannes (v1 -v7, v2-v8) associée(s) à la première plaque échangeuse (1 1 ) ; et
au moins une vanne et de préférence deux vannes (v5-v6, v1 1 -v12) associée(s) à la troisième plaque échangeuse (13).
3. Dispositif échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité thermoélectrique (10) présente un empilement de respectivement n et n' modules d'échange thermique, agencés de part et d'autre de la deuxième plaque échangeuse (12), chacun de ces n et n' modules présentant une superposition de deux couches avec :
- une plaque échangeuse (1 1 , 13) formant l'une des deux couches ; et
- un groupe d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques formant l'autre des deux couches ;
lesdits n modules comprenant ledit premier module d'échange thermique (M1 ) et lesdits n' modules comprenant ledit deuxième module d'échange thermique (M2), n et n' étant des entiers supérieurs ou égal à 1 .
4. Dispositif échangeur selon la revendication 3, dans lequel les plaques échangeuses (1 1 , 13) desdits n et n' modules sont préférentiellement identiques et présentent chacune au moins un canal interne adapté pour faire circuler un fluide caloporteur.
5. Dispositif échangeur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'unité thermoélectrique (10) comprend :
une première face externe (f1 ) appartenant à une plaque échangeuse située à une extrémité d'empilement des n modules d'échange thermique, et
une deuxième face externe (f2) opposée à ladite première faxe externe (f1 ), la deuxième face externe appartenant à une plaque échangeuse située à une extrémité d'empilement des n' modules d'échange thermique.
6. Dispositif échangeur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ladite première interface de connexion (N1 , N2) et ladite deuxième interface (N3, N4) de connexion comprennent chacune :
- une partie d'alimentation (N1 ; N3) en fluide caloporteur en liaison avec les entrées (1 1 a, 13a, 32) des plaques échangeuses (1 1 , 12, 13) ; et
une partie d'évacuation (N2 ; N4) du fluide caloporteur en liaison avec les sorties (1 1 b, 13b, 33) des plaques échangeuses (1 1 , 12, 13).
7. Dispositif échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins la deuxième plaque échangeuse (12) parmi lesdites plaques échangeuses forme un bloc rigide qui présente au moins deux canaux internes (31 ) et comprend :
une entrée et une sortie pour l'arrivée et l'évacuation d'un fluide caloporteur, reliées à ladite première interface de connexion (N1 , N2) ; et - une entrée et une sortie pour l'arrivée et l'évacuation d'un fluide caloporteur, reliées à ladite deuxième interface (N3, N4) de connexion.
8. Dispositif échangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'un au moins parmi lesdits premier et deuxième groupes (21 ") d'éléments thermoélectriques présente des cellules à effet Peltier sans céramique directement coincées entre deux des plaques échangeuses).
9. Système de contrôle (2) d'une pompe à chaleur thermoélectrique réversible comprenant un premier circuit (C1 ) d'échange de chaleur, un deuxième circuit (C2) d'échange de chaleur et un dispositif échangeur (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système comprend au moins une unité d'alimentation électrique (24) permettant d'alimenter électriquement l'unité thermoélectrique (10) du dispositif échangeur (1 ) et un dispositif de commande pour commander le système de vannes (V) du dispositif échangeur (1 ), le dispositif de commande étant en liaison avec le système de vannes (V) pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le fluide caloporteur ne circule pas dans ledit canal interne (31 ) de la deuxième plaque échangeuse (12) et ladite deuxième plaque échangeuse (12) permet un transfert de chaleur par conduction entre ses deux faces (18, 19), l'unité d'alimentation électrique (10) étant adaptée pour alimenter le premier groupe (21 ) d'éléments thermoélectriques et le deuxième groupe (22) d'éléments thermoélectriques de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse (12) un flux thermique entre une face chaude dudit premier groupe (21 ) et une face froide dudit deuxième groupe (22).
10. Système de contrôle selon la revendication 9, comprenant en outre des moyens d'alimentation (P1 , P2) et des vannes du système de vannes (V) pour faire circuler un fluide caloporteur dans les plaques échangeuses (1 1 , 13) desdits premier et deuxième modules d'échange thermique (M1 , M2).
1 1 . Système de contrôle selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le dispositif de commande est en outre adapté pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle la première plaque échangeuse (1 1 ) et la troisième plaque échangeuse (13) sont connectées à un circuit parmi les premier et deuxième circuits (C1 , C2) d'échange de chaleur, le système de vannes (V) étant paramétré dans la configuration en parallèle pour faire circuler dans ledit canal (31 ) de la deuxième plaque échangeuse (12) un fluide caloporteur utilisé par l'autre circuit parmi les premier et deuxième circuits (C1 , C2), l'unité d'alimentation électrique étant adaptée pour alimenter le premier groupe (21 ) d'éléments thermoélectriques et le deuxième groupe (22) d'éléments thermoélectriques de façon à générer à travers la deuxième plaque échangeuse (12) deux flux thermiques opposés.
12. Pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant un premier circuit (C1 ) d'échange de chaleur, un deuxième circuit (C2) d'échange de chaleur caractérisée en ce qu'elle comprend le dispositif échangeur (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et le système de contrôle selon l'une des revendications 9 à 1 1 .
13. Utilisation, dans une pompe à chaleur thermoélectrique réversible qui comprend un premier circuit (C1 ) d'échange de chaleur et un deuxième circuit (C2) d'échange de chaleur, d'une plaque échangeuse (12) à deux faces (18, 19) comprenant au moins un canal interne (31 ) permettant de faire circuler un fluide caloporteur entre une entrée (32) et une sortie (33), ledit au moins un canal interne (31 ) s'étendant entre les deux faces de la plaque échangeuse (12), ladite entrée et ladite sortie étant reliées à l'un des premier et deuxième circuits (C1 , C2) d'échange de chaleur de telle façon qu'un fluide caloporteur puisse circuler entre les deux faces de la plaque échangeuse (12), caractérisée en ce qu'on configure la plaque échangeuse (12) dans une unité thermoélectrique de la pompe, entre un premier groupe (21 ) d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques (20) et un deuxième groupe (21 ) d'un ou plusieurs éléments thermoélectriques (20), et en ce que la plaque échangeuse (12) sert pour :
i) transférer de façon bidirectionnelle de la chaleur par conduction thermique et convection thermique, entre un fluide caloporteur circulant dans ledit au moins canal (31 ) et lesdits premier et deuxième groupes (21 , 22) selon un premier mode de fonctionnement dans lequel on fait circuler le fluide caloporteur à travers la plaque échangeuse (12), et
ii) transférer de façon unidirectionnelle de la chaleur par conduction thermique de l'une vers l'autre des faces (18, 19) de plaque échangeuse (12) selon un second mode de fonctionnement dans lequel on coupe la circulation de fluide caloporteur à travers la plaque échangeuse, les faces de la plaque échangeuse (12) étant en contact l'une avec une face chaude dudit premier groupe (21 ) et l'autre avec une face froide dudit deuxième groupe (22).
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