WO2014016323A1 - Module thermo électrique - Google Patents

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WO2014016323A1
WO2014016323A1 PCT/EP2013/065569 EP2013065569W WO2014016323A1 WO 2014016323 A1 WO2014016323 A1 WO 2014016323A1 EP 2013065569 W EP2013065569 W EP 2013065569W WO 2014016323 A1 WO2014016323 A1 WO 2014016323A1
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WO
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electrical connection
connection means
thermoelectric
contact
elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/065569
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Inventor
Patrick Boisselle
Cédric DE VAULX
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details
    • H10N10/81—Structural details of the junction
    • H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric module, in particular for generating an electric current in a motor vehicle.
  • thermo modules using so-called electric thermo elements, for generating an electric current in the presence of a temperature gradient between two of their opposite faces, said first and second faces, according to the known phenomenon as the Seebeck effect.
  • These devices comprise a stack of first tubes, intended for the circulation of the exhaust gases of an engine, and second tubes, intended for the circulation of a heat transfer fluid of a cooling circuit.
  • the electrical thermo elements are sandwiched between the tubes so as to be subjected to a temperature gradient from the temperature difference between the hot exhaust gases and the cold cooling fluid.
  • thermo elements arranged in such modules are of two types:
  • P-type elements making it possible to establish an electrical potential difference in a positive direction, when they are subjected to a given temperature gradient
  • the P type thermoelectric elements alternate with the N type thermoelectric elements. They are grouped in pairs, each pair being formed of a P type thermoelectric element and an N type thermoelectric element.
  • the module for enabling a flow of current between the first faces of the thermoelectric elements of the same pair and a flow of current between the second faces of each of the electric thermo elements of two neighboring pairs. In other words, the current flows in series through the thermoelectric elements alternately passing from a P type thermoelectric element to an N type thermoelectric element.
  • module comprises a plurality of electrical tracks, each of them connecting the first faces of the electric thermo elements of the same pair or the second faces of each of the electric thermo elements belonging to two neighboring pairs to allow the flow of current described above .
  • thermoelectric elements it is known to assemble the electric thermoelectric elements to the electric tracks by a brazing process. During this process, the electric metal tracks are caused to expand under the effect of the temperature before the joining is effected with the electric thermo elements. Once the electrical tracks have reached the correct temperature, the connection is made and then we begin to cool all.
  • thermoelectric elements retract and regain their original dimensions with the return to room temperature and thus bring the two electric thermo elements to which they are secured.
  • the electrical tracks connecting the first faces of the electric thermo elements of the same pair bring the elements of the same pair to each other while the tracks connecting the second faces of the electric thermo elements belonging to two neighboring pairs bring the thermoelectric elements of two neighboring pairs so that they remove the thermoelectric elements of the same pair.
  • the thermoelectric elements are then subjected to opposite stresses, one acting on their first face and the other on their second face, leading to a shear which may damage them, in particular by creating cracks and / or breaks.
  • thermoelectric module is subjected to a large difference in temperature between its cold side and its hot side, which is typically the case when the hot face of the device is subjected to temperatures greater than 250 ° C. vs.
  • the electrical tracks secured to the hot-side electric thermo elements expand more than those joined to the cold-side electric thermo elements, which may damage the electric thermoelectric elements in the same manner as described above.
  • the invention aims to improve the situation.
  • thermoelectric module comprising a circulation channel of a first fluid, said to be hot, and / or a circulation channel of a second fluid, said to be cold, and a plurality of electric thermoelectric elements, capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between two of their faces, said contact faces, said contact faces of two adjacent thermoelectric elements being interconnected by an electrical connection means, said connection means electrical being in heat exchange relationship with one of the hot or cold channels.
  • the electrical connection means comprises a means of mechanical deformation.
  • the contraction of the electrical connection means during the cooling of the thermoelectric module and / or its expansion when the thermoelectric module is subjected to high operating temperatures are damped by the mechanical deformation means.
  • This means of mechanical deformation absorbs the stresses exerted on the thermoelectric elements by the electrical connection means so that the electric thermo elements undergo less shearing forces between their contact faces, thus reducing the risk of cracking or breaking.
  • the electrical connection means is, for example, an electrical track.
  • the mechanical deformation means is, in particular, a deformation lyre.
  • the electrical connection means comprises a first planar wall and a second planar wall, the mechanical deformation means comprising a curved face, able to deform and connecting the first to the second planar wall.
  • the electrical connection means is secured to two adjacent thermoelectric elements and undergoes expansion or contraction, the curved side opens or closes to dampen the expansion or contraction.
  • the first and second planar walls comprise a first planar face in contact with the elements. electrical thermo and a second planar face opposite to the first planar face and in heat exchange contact with the hot channel or the cold channel.
  • the first planar face of the first planar wall is in contact with a first of said electric thermo elements and / or the first planar face of the second planar wall is in contact with a second of said electric thermo elements adjacent to the first.
  • the first of said electric thermo elements is of type P and the second of said electric thermo elements is of type N.
  • the electrical connection means is in contact with a thermal conduction means, said thermal conduction means being an electrical insulator.
  • the thermal conduction means is, for example, ceramic material.
  • the thermal conduction means is in contact with the hot channel or the cold channel.
  • the thermal conduction means is in contact with thermal conduction fins in contact with the hot channel or the cold channel. The heat transfer between the hot channel or the cold channel and the electrical connection means is then through the fin and the thermal conduction means.
  • the electrical connection means consists of a material having elastic properties.
  • the elastic properties of the material contribute to the damping of the expansion or contraction of the electrical connection means.
  • the electrical connection means comprises an alloy of titanium and nickel.
  • the electric thermo elements are brazed to the electrical connection means, by their contact faces.
  • the thermoelectric module comprises a said electrical connection means in heat exchange relation at least with the hot channel.
  • the mechanical deformation means will thus dampen the thermal expansion of the electrical connection means in an optimized manner.
  • the thermoelectric module comprises a said electrical connection means in heat exchange relationship with the hot channel and a said electrical connection means in heat exchange relationship with the cold channel. In this way it is possible to use the similar electrical connection means on the hot side and the cold side.
  • thermoelectric device in particular for generating an electric current in a motor vehicle, comprising at least one module according to any one of the preceding claims.
  • FIG. 1 illustrates in perspective, an example of a thermoelectric device according to the invention, shown in an exploded manner
  • FIG. 2 is a schematic side view of a portion of a thermoelectric module comprising an electrical connection means according to the invention at room temperature before brazing;
  • Figure 3 is a top view of the electrical connection means according to the invention.
  • Figures 4 and 5 are figures similar to Figure 2 showing said portion of the thermoelectric module soldering temperature (Figure 4) and at room temperature after soldering (Figure 5).
  • Figure 6 is a view similar to Figure 5 showing the thermoelectric module in operation.
  • FIG. 7 is an alternative embodiment of the thermoelectric module shown in FIG.
  • FIG. 8 is another variant embodiment of the thermoelectric module shown in FIG.
  • a device comprises thermal conduction supports in contact with a hot or cold source, such as a plurality of tubes 1 for circulating a first fluid alternating with a plurality of tubes 2 circulation of a second fluid.
  • Said tubes 1, 2 extend here parallel to each other in the same direction.
  • the circulation tubes 1 of the first fluid are configured, for example, for the circulation of a fluid, said to be hot. It may be the exhaust gas of a motor vehicle engine.
  • the circulation tubes 1 of the first fluid define one or more circulation channels of the first fluid, called hot channels.
  • the circulation tubes 2 of the second fluid are configured, for example, for the circulation of a fluid, said cold, having a temperature lower than the temperature of the first fluid. It may be a coolant, such as a mixture of water and glycol, from, for example, a low temperature cooling loop of the vehicle.
  • the circulation tubes 2 of the second fluid define one or more circulation channels of the second fluid, said cold channels.
  • the exhaust gas circulation tubes 1 are three in number and the circulation tubes 2 of the coolant are five in number.
  • Said device further comprises a plurality of elements, called electrical thermo, for creating an electric current from a temperature gradient applied between two of their faces, said first and second contact faces, provided in exchange relation thermal with said hot and cold channels.
  • elements 4 of substantially parallelepiped shape (schematically visible in Figures 2 and 4 to 8) generating an electric current, according to the Seebeck effect.
  • Such elements allow the creation of an electric current in a load connected between said opposed contact faces 3a, 3b.
  • such elements consist, for example, of Bismuth and Tellurium (Bi 2 Te 3 ).
  • Said circulation tubes 1, 2 have, for example, a flattened section in an elongation direction, orthogonal to the direction of extension of the tubes.
  • Said circulation tubes 1, 2 may thus be flat tubes. This means that they have two large parallel faces connected by short sides.
  • the thermoelectric elements 4 are in contact with one and / or the other of the flat faces of the tubes 1, 2 by their contact faces 3a, 3b.
  • Said tubes 2 intended for the circulation of the cold fluid consist, for example, of aluminum and / or of aluminum alloy.
  • the tubes 1 intended for the circulation of hot fluid consist, in particular, of stainless steel. They are formed, for example, by profiling, welding and / or brazing.
  • Said device further comprises, for example, a manifold plate 1 5 at each of the ends of said tubes 1 for circulation of the first fluid.
  • Said collector plate 15 is provided with orifices 6 in which the ends of said tubes 1 for circulating the first fluid are inserted.
  • Said device may also comprise manifolds 7 in fluid communication with the end of said circulation tubes 1 of the first fluid and fixed to the collector plates 1 5 by means of screws 8.
  • Said boxes comprise an orifice 1 6 for the inlet and / or outlet of the first fluid.
  • Said tubes 2 for circulating the second fluid may be provided at each of their end with collectors 9 allowing communication of said circulation tubes 2 of the second fluid and a manifold, not shown, of the second fluid via orifices 1 0 opening on a side face of the beam defined by the stack of the tubes 1, 2 of circulation of the first and second fluid.
  • the electric thermoelectric elements 4 are distributed in layers 5 provided between the tubes 1 for circulating the first fluid and the tubes 2 for circulating the second fluid.
  • Each ply 5 schematically represents a plurality of electric thermo elements 4 arranged in a rectangular shape.
  • electrical connections are established between the layers 5 of electric thermo elements.
  • An electrical connector not shown, allows the device to be connected to an external electrical circuit.
  • thermoelectric elements 4 may be, for a first part, elements of a first type, called P (referenced 4P), for establishing an electrical potential difference in a direction, said positive, when they are subject to a given temperature gradient, and, for the other part, elements of a second type, called N (referenced 4N), allowing the creation of an electrical potential difference in an opposite direction, called negative, when are subject to the same temperature gradient.
  • P referenced 4P
  • N referenced 4N
  • thermoelectric elements applied on the same tube 1, 2 are electrically connected.
  • the P type thermoelectric elements and the N type thermoelectric elements, provided between the same tube for circulating the first fluid and the same tube for circulating the second fluid can be associated with each other so as to allow the flow of the series current from one element of the first type to an element of the second type.
  • the thermoelectric elements 4 thus associated form a basic conduction cell and the cells obtained may be associated in series and / or in parallel.
  • the first contact face 3a of each electric thermo element is intended to be in heat exchange relation with the hot channel and the second contact face 3b of each thermoelectric element is intended to be in exchange relation. thermal with the cold channel.
  • the P-type thermoelectric elements alternate with the N-type thermoelectric elements. They are grouped in pairs, each pair being formed of a P-type thermoelectric element and a thermoelectric element. type N.
  • the module is configured to allow a current flow between the first contact faces 3a of the thermoelectric elements of the same pair and a flow of current between the second contact faces 3b of each of the thermoelectric elements of two neighboring pairs. In other words, the current flows in series through the electric thermoelectric elements alternately passing from a P type thermoelectric element to an N type thermoelectric element.
  • the module comprises a plurality of electrical connection means 20, Connecting the first contact faces 3a of the electric thermo elements of the same pair and the second contact faces 3b of each of the electric thermo elements belonging to two neighboring pairs to allow the current flow described above.
  • Two adjacent thermoelectric elements are connected by the electrical connection means 20, either by their first contact face 3a or by their second contact face 3b.
  • At least one of the electrical connection means, said first electrical connection means 20, comprises a mechanical deformation means 21.
  • the first electrical connection means 20 interconnect the electric thermoelectric elements 4 of the same pair, that is to say that they are positioned on the first faces 3a of the elements. 4.
  • the first electrical connection means 20 are here in heat exchange relationship only with the hot channel.
  • the thermoelectric module may comprise other electrical connection means 30, said second electrical connection means 30.
  • the second electrical connection means 30 connect the thermoelectric elements to each other. electric 4 neighbors belonging to neighboring pairs.
  • the second electrical connection means 30 are here arranged to be in heat exchange relationship with the cold channel. These are, for example, flat electrical tracks.
  • the thermoelectric elements 4 and the electrical connection means are here represented at ambient temperature and before soldering, that is to say before joining.
  • the first electrical connection means 20 comprise a first plane wall 22 and a second plane wall 23.
  • the mechanical deformation means 21 comprises a curved face 24, able to deform and connecting the first to the second plane wall 22, 23.
  • This curved face 24 extends between the two electric thermoelectric elements 4 on which is disposed the first electrical connection means 20.
  • the mechanical deformation means 21 protrudes from the flat walls 22, 33, on the side of the thermoelectric elements. 4.
  • the curved face 24 has a V-shaped section.
  • This curved face 24 could of course have a U-shaped section, square or all types of sections allowing it to deform to absorb the expansion or contraction of the first electrical connection means 20 without departing from the scope of the invention.
  • the first and second planar walls 22, 23 comprise a first planar face 25 in contact with the electric thermoelectric elements 4 and a second flat face 26 opposite and parallel to the first planar face 25 and in heat exchange contact with the hot channel. (Figure 2) or the cold channel ( Figure 5).
  • the first planar face 25 of the first planar wall 22 is in contact with a P type thermoelectric element and the first face 26 of the second planar wall 23 is in contact with an N type thermoelectric element.
  • the first 25 and second 26 plane faces are interconnected by the material thickness of the plane walls 22, 23.
  • the electrical connection means 20, 30 may be in contact with a thermal conduction means, not shown, said thermal conduction means being an electrical insulator.
  • the thermal conduction means is, for example, in ceramic material. It allows the transfer of heat between the cold channel or the hot channel and the electrical connection means 20, which then transmits heat to the thermoelectric element 4 on which it is located.
  • the thermal conduction means may be directly in contact with the cold channel or the hot channel. It can also be in heat exchange relation with the cold channel or the hot channel via thermal conduction fins on which it is applied.
  • the first electrical connection means 20 is of substantially rectangular shape.
  • the mechanical deformation means 21 is here arranged in the center of the electrical connection means 20, crossing it parallel to a width of the rectangle.
  • the first electrical connection means 20 is, in particular, made of a material having elastic properties. It includes, for example, an alloy of Titanium and Nickel.
  • FIG. 4 shows the electric thermo elements 4 and the electrical connection means 20, 30 at soldering temperature.
  • the electric thermo elements 4 are brazed to the electrical connection means 20, 30 by their contact faces 3a, 3b.
  • the dotted lines represent the state of the electrical connection means 20, 30 at room temperature and the solid lines their states at soldering temperature. This difference in size is explained by the thermal expansion of the electrical connection means 20, 30.
  • the first and second planar walls 22, 23 expand mainly horizontally, that is to say parallel to the contact faces of the elements. electric thermo on which they are.
  • the mechanical deformation means 21, on the other hand expands mainly along its directions of extension, that is to say directions transverse to the horizontal. Note for example, that the extension of the mechanical deformation means 21 is here in a direction approximating the vertical.
  • the second electrical connection means 30, planar, extend parallel to the extension of the planar walls of the first electrical connection means 20.
  • the connection between the electrical connection means and the electric thermo elements is made at this temperature and at this level of expansion of the electrical connection means 20, 30.
  • FIG. 5 represents the electric thermoelectric elements 4 and the electrical connection means 20, 30 once joined by brazing and returned to ambient temperature.
  • Each of the electrical connection means 20, 30 tends to contract predominantly in the horizontal direction and to bring the two electric thermo elements 4 that connects.
  • the deformation means 21 present on the first electrical connection means 20 then makes it possible to damp these opposing forces acting in a first horizontal direction at the level of the second contact face 3b of a thermoelectric element 4 and in a second horizontal direction. , opposite to the first direction, at the same contact face 3b of the adjacent electric thermo elements 4, this returning to the initial position. Thanks to the invention, it avoids the shearing of the thermoelectric element 4 between its first and second contact faces.
  • FIG. 6 represents the exemplary embodiment described in FIG. 4 when the module operates with a first fluid at high temperature, that is to say greater than 250 ° C.
  • this configuration is particularly advantageous because the mechanical deformation means 21 can dampen the expansion that may be experienced by the first electrical connection means 20 in heat exchange relationship with the hot channel. Indeed, the mechanical deformation means 21 can then dampen this expansion. More specifically, the mechanical deformation means 21 allow the first and second planar walls to expand towards each other thereby limiting the stresses exerted on the electric thermo elements, in particular by expanding in a substantially vertical direction.
  • first electrical connection means 20 connect together the electric thermoelectric elements 4 belonging to the same pair and the adjacent electrical thermo elements 4 belonging to two adjacent pairs. There are therefore here first electrical connection means 20 in heat exchange relationship with the hot channel and first electrical connection means 20 in heat exchange relationship with the cold channel.
  • first electrical connection means 20 only in thermal relation with the cold channel, that is to say here between two elements 4 neighboring electric thermo belonging to two adjacent pairs.
  • the second connection means 30 here connect the electric thermo elements on the side of the hot channel.

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Abstract

L'invention concerne un module thermo électrique comprenant un canal de circulation d'un premier fluide, dit chaud, et/ou un canal de circulation d'un second fluide, dit froid, et une pluralité d'éléments thermo électriques (4), susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites faces de contact (3a, 3b), lesdits faces de contact (3a, 3b) de deux éléments thermo électriques (4) adjacents étant reliées entre elles par un moyen de connexion électrique (20), ledit moyen de connexion électrique (20) étant en relation d'échange thermique avec l'un des canaux chaud ou froid, caractérisé par le fait que le moyen de connexion électrique comprend un moyen de déformation mécanique (21). L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique comprenant un tel module.

Description

Module thermo électrique
La présente invention concerne un module thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile.
Actuellement, il a déjà été proposé des modules thermo électriques utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées, dites première et deuxième faces, selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid.
Les éléments thermo électriques disposés dans de tels modules sont de deux types :
- des éléments de type P permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné,
- des éléments type N permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température.
Les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N. Ils sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un élément thermo électrique de type P et d'un élément thermo électrique de type N. On configure ainsi le module pour permettre une circulation de courant entre les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques de deux paires voisines. Autrement dit, le courant circule en série à travers les éléments thermo électriques en passant alternativement d'un élément thermo électrique de type P à un élément thermo électrique de type N. Pour cela, le module comprend une pluralité de pistes électriques, chacune d'entre elle reliant les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire ou les deuxièmes faces de chacun des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines afin de permettre la circulation de courant décrite précédemment.
Il est connu d'assembler les éléments thermo électriques aux pistes électriques par un procédé de brasage. Pendant ce procédé, les pistes électriques en métal sont amenées à s'étendre sous l'effet de la température avant que la solidarisation ne s'effectue avec les éléments thermo électriques. Une fois que les pistes électriques ont atteint la bonne température, la solidarisation s'effectue et on commence alors à refroidir l'ensemble.
Un inconvénient vient du fait que les pistes électriques se rétractent et retrouvent leurs dimensions initiales avec le retour à la température ambiante et rapprochent ainsi les deux éléments thermo électriques auxquels elles sont solidarisées. Ainsi, les pistes électriques reliant les premières faces des éléments thermo électriques d'une même paire rapprochent les éléments d'une même paire les uns vers les autres alors que les pistes reliant les deuxièmes faces des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines rapprochent les éléments thermo électriques de deux paires voisines de sorte qu'elles éloignent les éléments thermo électriques d'une même paire. Les éléments thermo électriques sont alors soumis à des contraintes opposées, l'une agissant sur leur première face et l'autre sur leur deuxième face, menant à un cisaillement qui risque de les endommager, notamment en créant des fissures et/ou des cassures.
Ce risque existe également, lorsque le module thermo électrique en fonctionnement est soumis à une forte différence de température entre son côté froid et son côté chaud, ce qui est typiquement le cas quand la face chaude du dispositif est soumise à des températures supérieures à 250 °C. En atteignant ces températures, les pistes électriques solidarisées aux éléments thermo électriques côté chaud se dilatent davantage que celles solidarisées aux éléments thermo électriques côté froid, ce qui risque d'endommager les éléments thermo électriques de la même manière que décrite précédemment. L'invention vise à améliorer la situation.
Elle propose pour cela un module thermo électrique comprenant un canal de circulation d'un premier fluide, dit chaud, et/ou un canal de circulation d'un second fluide, dit froid, et une pluralité d'éléments thermo électriques, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites faces de contact, lesdits faces de contact de deux éléments thermo électriques adjacents étant reliées entre elles par un moyen de connexion électrique, ledit moyen de connexion électrique étant en relation d'échange thermique avec l'un des canaux chaud ou froid. Selon l'invention, le moyen de connexion électrique comprend un moyen de déformation mécanique.
Ainsi, grâce à l'invention, la contraction du moyen de connexion électrique pendant le refroidissement du module thermo électrique et/ou sa dilatation lorsque le module thermo électrique est soumis à de fortes températures de fonctionnement sont amorties par le moyen de déformation mécanique. Ce moyen de déformation mécanique absorbe les contraintes exercées sur les éléments thermo électriques par le moyen de connexion électrique de sorte que les éléments thermo électriques subissent moins d'efforts de cisaillement entre leurs faces de contact, diminuant ainsi le risque de fissure ou de casse. Le moyen de connexion électrique est, par exemple, une piste électrique. Le moyen de déformation mécanique est, notamment, une lyre de déformation.
Selon un aspect de l'invention, le moyen de connexion électrique comprend une première paroi plane et une deuxième paroi plane, le moyen de déformation mécanique comprenant une face courbée, apte à se déformer et reliant la première à la deuxième paroi plane. Lorsque le moyen de connexion électrique est solidarisé à deux éléments thermo électriques adjacents et qu'il subit une dilatation ou une contraction, la face courbée s'ouvre ou se ferme pour amortir la dilation ou la contraction.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, la première et la deuxième parois planes comprennent une première face plane en contact avec les éléments thermo électriques et une deuxième face plane opposée à la première face plane et en contact d'échange thermique avec le canal chaud ou le canal froid.
Avantageusement, la première face plane de la première paroi plane est en contact avec un premier desdits éléments thermo électriques et/ou la première face plane de la deuxième paroi plane est en contact avec un deuxième desdits éléments thermo électriques adjacent au premier.
Selon un aspect de l'invention, le premier desdits éléments thermo électriques est de type P et le deuxième desdits éléments thermo électriques est de type N.
En variante, le moyen de connexion électrique est en contact avec un moyen de conduction thermique, ledit moyen de conduction thermique étant un isolant électrique. Le moyen de conduction thermique est, par exemple, en matière céramique.
Avantageusement, le moyen de conduction thermique est en contact avec le canal chaud ou le canal froid. Selon un aspect de l'invention, le moyen de conduction thermique est en contact avec des ailettes de conduction thermique en contact avec le canal chaud ou le canal froid. Le transfert thermique entre le canal chaud ou le canal froid et le moyen de connexion électrique se fait alors par l'intermédiaire de l'ailette et du moyen de conduction thermique.
Selon un exemple de réalisation, le moyen de connexion électrique est constitué d'un matériau présentant des propriétés élastiques. Les propriétés élastiques du matériau participent à l'amortissement de la dilation ou de la contraction du moyen de connexion électrique.
Avantageusement, le moyen de connexion électrique comprend un alliage de Titane et de Nickel. Selon un aspect de l'invention, les éléments thermo électriques sont brasés sur le moyen de connexion électrique, par leurs faces de contact.
Selon un exemple de réalisation, le module thermo électrique comprend un dit moyen de connexion électrique en relation d'échange thermique au moins avec le canal chaud. Dans le cas d'une dilatation due à la chaleur du canal chaud, le moyen de déformation mécanique amortira ainsi la dilatation thermique du moyen de connexion électrique de façon optimisée. Avantageusement, le module thermo électrique comprend un dit moyen de connexion électrique en relation d'échange thermique avec le canal chaud et un dit moyen de connexion électrique en relation d'échange thermique avec le canal froid. On peut de la sorte utiliser les moyens de connexion électrique semblables coté chaud et coté froid.
L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, comprenant au moins un module selon l'une quelconque des revendications précédentes. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 illustre en perspective, un exemple de dispositif thermo électrique conforme à l'invention, représenté de façon éclatée ;
La figure 2 est une vue schématique de coté d'une partie d'un module thermo électrique comprenant un moyen de connexion électrique conforme à l'invention à température ambiante avant brasage ;
La figure 3 est une vue de dessus du moyen de connexion électrique conforme à l'invention. Les figures 4 et 5 sont des figures similaires à la figure 2 représentant ladite partie du module thermo électrique à température de brasage (figure 4) et à température ambiante après brasage (figure 5). La figure 6 est une vue similaire à la figure 5 représentant le module thermo électrique en fonctionnement.
La figure 7 est une variante de réalisation du module thermo électrique représenté à la figure 2.
La figure 8 est une autre variante de réalisation du module thermo électrique représenté à la figure 2.
Comme illustré à la figure 1 , un dispositif conforme à l'invention comprend des supports de conduction thermique en contact avec une source chaude ou froide telles qu'une pluralité de tubes 1 de circulation d'un premier fluide alternant avec une pluralité de tubes 2 de circulation d'un deuxième fluide. Lesdits tubes 1 , 2 s'étendent ici parallèlement les uns aux autres dans une même direction. Les tubes 1 de circulation du premier fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit chaud. Il pourra s'agir des gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Les tubes 1 de circulation du premier fluide définissent un ou plusieurs canaux de circulation du premier fluide, dits canaux chauds. Les tubes 2 de circulation du deuxième fluide sont configurés, par exemple, pour la circulation d'un fluide, dit froid, présentant une température inférieure à la température du premier fluide. Il pourra s'agir d'un liquide de refroidissement, tel qu'un mélange d'eau et de glycol, provenant, par exemple, d'une boucle de refroidissement basse température du véhicule. Les tubes 2 de circulation du deuxième fluide définissent un ou plusieurs canaux de circulation du deuxième fluide, dits canaux froids.
Ici, les tubes de circulation 1 de gaz d'échappement sont au nombre de trois et les tubes de circulation 2 du liquide de refroidissement sont au nombre de cinq. Ledit dispositif comprend en outre une pluralité d'éléments, dits thermo électriques, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites première et deuxième faces de contact, prévues en relation d'échange thermique avec lesdits canaux chaud et froid.
Il s'agit, par exemple, d'éléments 4 de forme sensiblement parallélépipédiques (visible de façon schématique aux figures 2 et 4 à 8) générant un courant électrique, selon l'effet Seebeck. De tels éléments permettent la création d'un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces de contact 3a, 3b, prévues opposées. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).
Lesdits tubes de circulation 1 , 2 présentent, par exemple, une section aplatie selon une direction d'allongement, orthogonale à la direction d'extension des tubes. Lesdits tubes de circulation 1 , 2 pourront ainsi être des tubes plats. On entend par là qu'ils présentent deux grandes faces parallèles reliés par des petits côtés. Les éléments thermo électriques 4 sont au contact de l'une et/ou l'autres des faces planes des tubes 1 , 2 par leurs faces de contact 3a, 3b. Lesdits tubes 2 destinés à la circulation du fluide froid sont constitués, par exemple, d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium. Les tubes 1 destinés à la circulation du fluide chaud, sont constitués, notamment, d'acier inox. Ils sont formés, par exemple, par profilage, soudage et/ou brasage. Ledit dispositif comprend en outre, par exemple, une plaque collectrice 1 5 à chacune des extrémités desdits tubes 1 de circulation du premier fluide. Ladite plaque collectrice 15 est munie d'orifices 6 dans lesquels les extrémités desdits tubes 1 de circulation du premier fluide sont insérées. Ledit dispositif pourra également comprendre des boîtes collectrices 7 en communication de fluide avec l'extrémité desdits tubes de circulation 1 du premier fluide et fixées aux plaques collectrices 1 5 par l'intermédiaire de vis 8. Lesdites boîtes comprennent un orifice 1 6 pour l'entrée et/ou la sortie du premier fluide. Lesdits tubes 2 de circulation du second fluide pourront être munis à chacune de leur extrémité de collecteurs 9 permettant une mise en communication desdits tubes 2 de circulation du second fluide et d'une boîte collectrice, non représentée, du deuxième fluide par l'intermédiaire d'orifices 1 0 débouchant sur une face latérale du faisceau défini par l'empilement des tubes 1 , 2 de circulation du premier et du deuxième fluide.
Comme illustré à la figure 1 , les éléments thermo électriques 4 sont réparties en nappes 5 prévues entre les tubes 1 de circulation du premier fluide et les tubes 2 de circulation du deuxième fluide. Chaque nappe 5 représente schématiquement une pluralité d'éléments thermo électriques 4 disposés selon une forme rectangulaire. Dans le dispositif thermo électrique, des liaisons électriques sont établies entre les nappes 5 d'éléments thermo électriques. Un connecteur électrique, non représenté, permet de relier le dispositif à un circuit électrique extérieur.
Les éléments thermo électriques 4 pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P (référencés 4P), permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N (référencés 4N), permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température.
Les éléments thermo électriques appliqués sur un même tube 1 , 2 sont reliés électriquement. En particulier et comme illustré aux figures 2 et 4 à 8, les éléments thermo électriques de type P et les éléments thermo électriques de type N, prévus entre un même tube de circulation du premier fluide et un même tube de circulation du deuxième fluide, pourront être associés entre eux de façon à permettre la circulation du courant en série d'un élément du premier type vers un élément du second type. Il est également possible de relier entre elles par des pistes électriques les faces d'éléments thermo électriques de même types pour un montage en parallèle desdits éléments. Les éléments thermo électriques 4 ainsi associés forment une cellule de conduction de base et les cellules obtenues pourront être associées en série et/ou en parallèle. Sur ces figures, la première face de contact 3a de chaque éléments thermo électriques est destiné à être en relation d'échange thermique avec le canal chaud et la deuxième face de contact 3b de chaque élément thermo électrique est destinée à être en relation d'échange thermique avec le canal froid.
Comme représenté sur la figure 2, les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N. Ils sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un élément thermo électrique de type P et d'un élément thermo électrique de type N. On configure le module pour permettre une circulation de courant entre les premières faces de contact 3a des éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les deuxièmes faces de contact 3b de chacun des éléments thermo électriques de deux paires voisines. Autrement dit, le courant circule en série à travers les éléments thermo électriques en passant alternativement d'un élément thermo électrique de type P à un élément thermo électrique de type N. Pour cela, le module comprend une pluralité de moyens de connexion électrique 20, 30 reliant les premières faces de contact 3a des éléments thermo électriques d'une même paire et les deuxièmes faces de contact 3b de chacun des éléments thermo électriques appartenant à deux paires voisines afin de permettre la circulation de courant décrite précédemment. Deux éléments thermo électriques adjacents sont liés par les moyens de connexion électrique 20, 30 soit par leur première face de contact 3a soit par leur deuxième face de contact 3b.
Selon l'invention, au moins un des moyens de connexion électrique, dit premier moyen de connexion électrique 20, comprend un moyen de déformation mécanique 21 . Dans l'exemple représenté à la figure 2, les premiers moyens de connexion électrique 20 relient entre eux les éléments thermo électriques 4 d'une même paire, c'est-à-dire qu'ils sont positionnés sur les premières faces 3a des éléments thermo électriques 4. Les premiers moyens de connexion électrique 20 sont ici en relation d'échange thermique uniquement avec le canal chaud.
Le module thermo électrique peut comprendre d'autres moyens de connexion électrique 30, dits deuxièmes moyens de connexion électrique 30. Ici, les deuxièmes moyens de connexion électrique 30 relient entre eux les éléments thermo électriques 4 voisins appartenant à des paires voisines. Les deuxièmes moyens de connexion électrique 30 sont ici agencés pour être en relation d'échange thermique avec le canal froid. Ce sont, par exemple, des pistes électriques planes. Les éléments thermo électriques 4 et les moyens de connexion électrique sont ici représentés à température ambiante et avant brasage, c'est-à-dire avant solidarisation.
Les premiers moyens de connexion électrique 20 comprennent une première paroi plane 22 et une deuxième paroi plane 23. Le moyen de déformation mécanique 21 comprend une face courbée 24, apte à se déformer et reliant la première à la deuxième paroi plane 22, 23. Cette face courbée 24 s'étend entre les deux éléments thermo électriques 4 sur lesquels est disposé le premier moyen de connexion électrique 20. Autrement dit, le moyen de déformation mécanique 21 fait saillie par rapport aux parois planes 22, 33, du coté des éléments thermo électriques 4. Dans l'exemple illustré à la figure 2, la face courbée 24 présente une section en V. Cette face courbée 24 pourrait bien sur présenter une section en U, carrée ou touts types de sections lui permettant de se déformer pour absorber la dilatation ou la contraction des premiers moyens de connexion électrique 20, sans sortir du cadre de l'invention.
La première et la deuxième parois planes 22, 23 comprennent une première face plane 25 en contact avec les éléments thermo électriques 4 et une deuxième face plane 26 opposée et parallèle à la première face plane 25 et en contact d'échange thermique avec le canal chaud (figure 2) ou le canal froid (figure 5). La première face plane 25 de la première paroi plane 22 est en contact avec un élément thermo électrique de type P et la première face 26 de la deuxième paroi plane 23 est en contact avec un élément thermo électrique de type N. Les première 25 et deuxième 26 faces planes sont reliées entre elles par l'épaisseur de matière des parois planes 22, 23.
Les moyens de connexion électrique 20, 30 pourront être en contact avec un moyen de conduction thermique, non-illustré, ledit moyen de conduction thermique étant un isolant électrique. Le moyen de conduction thermique est, par exemple, en matériau céramique. Il permet le transfert de chaleur entre le canal froid ou le canal chaud et le moyen de connexion électrique 20, 30 qui transmet alors la chaleur à l'élément thermo électrique 4 sur lequel il se trouve. Le moyen de conduction thermique peut être directement en contact avec le canal froid ou le canal chaud. Il peut également être en relation d'échange thermique avec le canal froid ou le canal chaud par l'intermédiaire d'ailettes de conduction thermique sur lesquelles il est appliqué.
Comme représenté à la figure 3, le premier moyen de connexion électrique 20 est de forme sensiblement rectangulaire. Le moyen de déformation mécanique 21 est ici disposé au centre du moyen de connexion électrique 20, le traversant parallèlement à une largeur du rectangle. Le premier moyen de connexion électrique 20 est, notamment, constitué d'un matériau présentant des propriétés élastiques. Il comprend, par exemple, un alliage de Titane et de Nickel.
La figure 4 représente les éléments thermo électriques 4 et les moyens de connexion électrique 20, 30 à température de brasage. Les éléments thermo électriques 4 sont brasés sur le moyen de connexion électrique 20, 30 par leurs faces de contact 3a, 3b. Les traits pointillés représentent l'état des moyens de connexion électrique 20, 30 à température ambiante et les traits pleins leurs états à température de brasage. Cette différence de dimension s'explique par la dilatation thermique des moyens de connexion électrique 20, 30. Les première et deuxième parois planes 22, 23 se dilatent principalement de manière horizontale, c'est-à-dire parallèlement aux faces de contact des éléments thermo électriques sur lesquels elles se trouvent. Le moyen de déformation mécanique 21 se dilate en revanche majoritairement selon ses directions d'extensions, c'est-à-dire des directions transversales à l'horizontale. On remarque par exemple, que l'extension des moyens de déformation mécanique 21 se fait ici selon une direction se rapprochant de la verticale.
Les deuxièmes moyens de connexion électrique 30, plans, s'étendent parallèlement à l'extension des parois planes des premiers moyens de connexion électrique 20. La solidarisation entre les moyens de connexion électrique et les éléments thermo électriques se fait à cette température et à ce niveau de dilatation des moyens de connexion électrique 20, 30.
La figure 5 représente les éléments thermo électriques 4 et les moyens de connexion électrique 20, 30 une fois solidarisés par brasages et revenus à température ambiante. Chacun des moyens de connexion électrique 20, 30 tend à se contracter majoritairement selon la direction horizontale et à rapprocher les deux éléments thermo électriques 4 qu'il relie. Le moyen de déformation 21 présent sur les premiers moyens de connexion électrique 20 permet alors d'amortir ces forces contraires agissant selon une première direction horizontale au niveau de la deuxième face de contact 3b d'un élément thermo électrique 4 et selon une deuxième direction horizontale, opposée à la première direction, au niveau de la même face de contact 3b des éléments thermo électriques 4 voisins, ceci en revenant vers la position initiale. Grâce à l'invention, on évite ainsi le cisaillement de l'élément thermo électrique 4 entre sa première et sa deuxième faces de contact.
La figure 6 représente l'exemple de réalisation décrit à la figure 4 lorsque le module fonctionne avec un premier fluide à haute température, c'est-à-dire supérieure à 250 °C. A cette température, cette configuration est particulièrement avantageuse du fait que les moyens de déformation mécanique 21 peuvent amortir la dilatation que risque de subir les premiers moyens de connexion électrique 20 en relation d'échange thermique avec le canal chaud. En effet, les moyens de déformation mécanique 21 peuvent alors amortir cette dilatation. Plus précisément, les moyens de déformation mécanique 21 permettent de laisser les première et deuxième parois planes se dilater l'une vers l'autre en limitant ainsi les contraintes exercées sur les éléments thermo électriques, notamment en se dilatant selon une direction sensiblement verticale.
Le positionnement des premiers moyens de connexion électrique 20 en relation d'échange thermique permet ainsi aux moyens de déformation mécanique 21 d'amortir, d'une part, la contraction des premiers moyens de connexion électrique lors du refroidissement qui a lieu après le brasage et, d'autre part, la dilation dues aux températures du canal chaud lorsque le module thermo électrique fonctionne. Selon une variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 7, les premiers moyens de connexion électrique 20 relient entre eux les éléments thermo électriques 4 appartenant à une même paire et les éléments thermo électriques 4 voisins appartenant à deux paires adjacentes. Il y a donc ici des premiers moyens de connexion électrique 20 en relation d'échange thermique avec le canal chaud et des premiers moyens de connexion électrique 20 en relation d'échange thermique avec le canal froid.
Il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention et comme illustré sur la figure 8, de disposer les premiers moyens de connexion électrique 20 uniquement en relation thermique avec le canal froid, c'est-à-dire ici entre deux éléments thermo électriques 4 voisins appartenant à deux paires adjacentes. Les deuxièmes moyens de connexion 30 relient ici les éléments thermo électriques du coté du canal chaud.

Claims

Revendications
1 . Module thermo électrique comprenant un canal de circulation d'un premier fluide, dit chaud, et/ou un canal de circulation d'un second fluide, dit froid, et une pluralité d'éléments thermo électriques (4), susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leurs faces, dites faces de contact (3a, 3b), lesdits faces de contact (3a, 3b) de deux éléments thermo électriques (4) adjacents étant reliées entre elles par un moyen de connexion électrique (20), ledit moyen de connexion électrique (20) étant en relation d'échange thermique avec l'un des canaux chaud ou froid, caractérisé par le fait que le moyen de connexion électrique (20) comprend un moyen de déformation mécanique (21 ).
2. Module thermo électrique selon la revendication 1 , dans lequel le moyen de connexion électrique (20) comprend une première paroi plane (22) et une deuxième paroi plane (23), le moyen de déformation mécanique (21 ) comprenant une face courbée (24), apte à se déformer et reliant la première (22) à la deuxième paroi plane (23).
3. Module thermo électrique selon la revendication 2, dans lequel la première et la deuxième parois planes (22, 23) comprennent une première face plane (25) en contact avec les éléments thermo électriques (4) et une deuxième face plane (26) opposée à la première face plane (25) et en contact d'échange thermique avec le canal chaud ou le canal froid
4. Module thermo électrique selon la revendication 3, dans lequel la première face plane (25) de la première paroi plane (22) est en contact avec un premier desdits éléments thermo électriques (4) et/ou la première face plane (25) de la deuxième paroi plane (23) est en contact avec un deuxième desdits éléments thermo électriques (4) adjacent au premier.
5. Module thermo électrique selon la revendication 4, dans lequel le premier desdits éléments thermo électriques (4) est de type P et le deuxième desdits éléments thermo électriques (4) est de type N.
6. Module thermo électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de connexion électrique (20) est en contact avec un moyen de conduction thermique, ledit moyen de conduction thermique étant un isolant électrique.
7. Module thermo électrique selon la revendication 6 dans lequel le moyen de conduction thermique est en contact avec le canal chaud ou le canal froid.
8. Module thermo électrique selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le moyen de conduction thermique est en contact avec des ailettes de conduction thermique en contact avec le canal chaud ou le canal froid.
9. Module thermo électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de connexion électrique (20) est constitué d'un matériau présentant des propriétés élastiques.
1 0. Module thermo électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de connexion électrique (20) comprend un alliage de Titane et de Nickel.
1 1 . Module thermo électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les éléments thermo électriques (4) sont brasés sur le moyen de connexion électrique, par leurs faces de contact (3a, 3b).
1 2. Module thermo électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il comprend un dit moyen de connexion électrique (20) en relation d'échange thermique au moins avec le canal chaud.
1 3. Module thermo électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il comprend un dit moyen de connexion électrique (20) en relation d'échange thermique avec le canal chaud et un dit moyen de connexion électrique (20) en relation d'échange thermique avec le canal froid.
14. Dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile, comprenant au moins un module selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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