WO2017046491A1 - Module et dispositif thermo électrique, notamment destinés a générer un courant électrique dans un véhicule automobile - Google Patents

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WO2017046491A1
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fluid
thermoelectric
fins
elements
module according
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PCT/FR2016/052265
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Inventor
Kamel Azzouz
Patrick Boisselle
Cédric DE VAULX
Véronique MONNET
Ambroise SERVANTIE
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • 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
    • H10N10/13—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 heat-exchanging means at the junction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Thermoelectric module and device in particular for generating an electric current in a motor vehicle
  • the present invention relates to a module and a thermoelectric device, in particular for generating an electric current in a motor vehicle.
  • thermo devices also called electric thermo generators or TEG according to the acronym "ThermoElectric Generator”
  • TEG electric thermo generators
  • electric thermo elements to generate an electric current in the presence of a temperature gradient between two of their opposite faces according to the phenomenon known 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.
  • thermoelectric elements Such devices are particularly interesting because they make it possible to produce electricity from a conversion of the heat coming from the exhaust gases of the engine. They thus offer the possibility of reducing the fuel consumption of the vehicle by replacing, at least partially, the alternator usually provided therein to generate electricity from a belt driven by the engine crankshaft.
  • annular thermal electrical elements in which the temperature gradient for generating the electric current is imposed between two of their opposite cylindrical faces, the hot fluid and the cold fluid flowing coaxially, one inside the ring and the other outside.
  • This type of thermoelectric elements presents integration difficulties which lead to the commitment of a large amount of material burdening the cost and increasing the thermal inertia of the device.
  • thermoelectric module comprising annular-shaped thermoelectric elements in which the first fluid and the second fluid circulate transversely relative to one another.
  • a thermoelectric module is shown in FIG. 1 and comprises a plurality of annular-shaped electric thermoelectric elements 1 arranged in the longitudinal extension of one another in a coaxial manner, with, for example, an alternation of electric thermoelectric elements.
  • Each thermoelectric element 1 comprises fins 2 extending from the outer periphery, transversely and radially.
  • These fins usually obtained in aluminum or stainless steel and crimped onto the outer diameter of the rings of the electric thermoelectric elements 1, make it possible to promote heat exchange with the hot exhaust gases flowing through said fins 2 , a cold fluid flowing in the center of the electric thermoelectric elements 1, and extracting the maximum heat of the exhaust gases to transfer it to thermoelectric materials.
  • thermoelectric generator In order to channel the hot gases through the fins 2, a cylindrical envelope covering the fins 2 of the electric thermoelectric elements 1 which are assembled in the form of a cylindrical pencil 3 is usually used, the pencil 3 of electric thermoelectric elements 1 being inserted in the cylindrical casing whose internal diameter is adjusted to the diameter external fins 2 which then have a circular shape.
  • several rods 3 may be assembled together, the number of rods 3 depending on the desired electric power, in a barrel-shaped ceramic piece 4 as shown in FIGS.
  • peripheral cylindrical holes 6 comprising a central hole 5 in which circulates the hot exhaust gases and peripheral cylindrical holes 6 whose axes are parallel to that of the central hole 5, said cylindrical holes 6 being in fluid communication with the central hole 5 by means of longitudinal slots 7 and to receive said rods 3.
  • said peripheral cylindrical holes comprise so-called longitudinal exhaust slots 8 in communication with the outside of the barrel 4.
  • thermoelectric module comprising at least one thermoelectric element, in the form of a cylinder or right prism and having a central recess, capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between a first so-called outer face defined by an outer periphery surface and a second inner so-called face defined by an inner periphery surface, a first fluid being intended to flow through the central recess and a second fluid being intended to circulate around the outer periphery, and a casing covering the said thermoelectric element or elements, consisting of at least two assembled parts, and comprising at least a first inlet slot of the second fluid and a second so-called exhaust slot said second fluid.
  • the first fluid is, for example, a coolant and the second fluid is in particular exhaust gas.
  • thermoelectric element With this construction of the casing covering the said thermoelectric element (s), it is no longer necessary to have a dimensional clearance between the outer diameter of the fins of the thermoelectric elements and the internal diameter of the casing since said thermoelectric elements electrical devices are no longer inserted into the envelope coaxially.
  • said envelope consists of at least two fractions of tubes of circular or polygonal cross-section and closed at its ends respectively by a complementary shaped washer comprising at least two lugs extending outwardly. from the periphery of said washer so as to form at least two slots between said tube fractions.
  • the electric thermo elements have an annular shape and comprise fins crimped on the outer face of said electric thermo elements, said fins extending perpendicular to the axis of revolution of said electric thermo elements.
  • the inner wall of the envelope bears on the fins.
  • the entire flow of exhaust gas flows through the fins of the electric thermo elements.
  • the envelope consists of two circular half-tubes and closed at its ends by two washers. annular provided with two radial lugs on which support the two half-tubes to form the intake slot and the exhaust slot.
  • the parts of the envelope are obtained in a material having dielectric properties to ensure electrical insulation of the electric thermo elements with the external environment.
  • said parts of the envelope are obtained in a material having a temperature withstand of at least 800 ° C.
  • said material in which the parts of the envelope are obtained consists of ceramic.
  • the intake and exhaust slots are arranged in such a way that the passage section given by the slots is equivalent to the passage section through the fins.
  • the invention also relates to a thermoelectric device comprising a plurality of modules as described above.
  • said device is configured to be positioned in a motor vehicle exhaust gas conduit so that said gases circulate in the envelope, said gases defining the second fluid.
  • FIG. 1 schematically illustrates a thermoelectric module of the prior art consisting of a plurality of annular electrical thermo elements and radial fins.
  • FIG. 2 is a perspective view of a barrel-shaped part receiving electrical thermo modules of the prior art,
  • FIG. 3 is a side view of the barrel-shaped part in which are positioned electrical thermo modules of the prior art
  • FIG. 4 is a perspective view of an exemplary embodiment of a thermoelectric module according to the invention
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of an embodiment of a thermoelectric module conforming to FIG. 'invention
  • FIG. 6 is a perspective view of an example of a thermoelectric device according to the invention comprising several modules
  • FIG. 7 is a perspective elevation view of an example of a thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 8 schematically illustrates, in cross-section, an example of a thermoelectric device according to the invention.
  • thermoelectric module said module comprising a first circuit 9, said to be hot, capable of allowing the circulation of a first fluid, in particular the exhaust gases of an engine, and a second circuit 10 said cold able to allow the circulation of a second fluid, including a heat transfer fluid of a cooling circuit, lower temperature than the first fluid.
  • Said second fluid thus having a heat exchange coefficient greater than said first fluid.
  • Said module comprises at least one thermoelectric element 1, here a plurality of thermoelectric elements ⁇ , ⁇ , cylinder-shaped or straight prism and having a central recess, capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between a first so-called outer face 11a defined by an outer periphery surface and a second inner face 11b defined by an inner periphery surface, the second fluid being intended to flow through the central recess and the first fluid being intended to circulate around the outer periphery, and a casing 12 covering the said thermoelectric element (s) 1, constituted by at least two assembled parts 12a, 12b, and comprising at least a first so-called inlet slot 13 of the second fluid and a second so-called exhaust slot 14 of said second fluid.
  • thermoelectric element here a plurality of thermoelectric elements ⁇ , ⁇ , cylinder-shaped or straight prism and having a central recess, capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between a first so-
  • outer faces 11b and inner 11a electric thermo elements 1 are for example circular. However, more generally, any section of rounded shape, such as an oval shape for example, and / or polygonal is possible.
  • Such elements operate, according to the Seebeck effect, by making it possible to create an electric current in a load connected between the inner faces 11b and outer 11a of the electric thermo elements ⁇ , ⁇ subjected to the temperature gradient.
  • such elements consist, for example, of Bismuth and Tellurium (Bi 2 Te 3 ).
  • thermoelectric elements may be, for a first part, elements lp of a first type, said P, making it possible to establish a difference of electric potential in a direction, said positive, when they are subjected to a temperature gradient given, and, for the other part, elements ln of a second type, said N, allowing the creation of a difference of electric potential in an opposite direction, said negative, when they are subjected to the same temperature gradient .
  • the electric thermo elements 1 shown are formed of a ring in one piece. They may however be formed of several pieces each forming an angular portion of the ring.
  • the outer surface 11a has, for example, a radius of between 1.5 and 4 times the radius of the inner surface 11b. It may be a radius equal to about 2 times that of the inner surface 11b.
  • thermoelectric element 1 has, for example, two opposite parallel flat faces.
  • the ring constituting the thermoelectric element 1 is of rectangular annular section.
  • Said thermoelectric elements lp, ln are arranged, for example, in the longitudinal extension of one another, in particular in a coaxial manner, and the P-type thermoelectric elements alternate with the N-type thermoelectric elements, according to a direction D. They are, in particular, of identical shape and size. They may, however, have a thickness, that is to say a dimension between their two planar faces, different from one type to another, particularly depending on their electrical conductivity.
  • thermoelectric elements lp, ln are, for example, grouped in pairs, each pair being formed of a said P type thermoelectric element and a said N type thermoelectric element, and said module is configured to allow a current flow between the first surfaces of the electric thermoelectric elements 1 of the same pair and a flow of current between the second surfaces of each of the electric thermoelectric elements 1 of the same pair and the thermoelectric element 1 adjacent to the neighboring pair. This ensures a circulation in series of the electric current between the electric thermo elements lp, ln arranged next to each other in the direction D.
  • the module according to the invention may comprise a cold liquid circulation channel 15 in contact with said second surface 11b of said thermoelectric elements lp, ln.
  • the channel 7 cold liquid circulation is unique and placed in the center of the module.
  • a plurality of cold liquid circulation channels may be provided.
  • the at least one liquid circulation channel 15 is, for example, of circular section.
  • said module comprises cold liquid circulation tubes 15 on which are mounted a plurality of electric thermoelectric elements 1 of the same type alternating in the direction of longitudinal extension D of the tube 15 with a thermoelectric element of the other type.
  • the tubes 15 are, in particular, metallic. They define at least in part said channel.
  • Said module may further comprise electrical insulation means, not shown in the figures, arranged between two faces vis-à-vis neighboring thermoelectric elements lp, ln according to the longitudinal extension direction D of the tube 15.
  • Said module may further comprise first electrical connection means, not shown in the figures, connecting the outer periphery surfaces 11a of two of said thermoelectric elements, provided adjacent and of different types.
  • Said first electrical connection means comprise, for example, a layer of electrically conductor, especially copper and / or nickel, coating said thermoelectric elements lp, ln.
  • Said module advantageously comprises secondary exchange surfaces, in particular fins 2, with the second fluid.
  • Said fins 2 are arranged, for example, transversely, in particular radially to said electric thermo elements 1. They are here positioned parallel to each other with a spacing allowing a good heat exchange with the second fluid while limiting the losses of charges.
  • Said fins 2 may be off-center with respect to said thermoelectric elements lp, ln, in particular elongated on the side of the arrival of the second fluid.
  • Said fins 2 may comprise a catalytic coating to ensure a catalytic conversion of toxic components of the second fluid.
  • said module can in this way equip a catalytic converter in addition or substitution of the components conventionally used for catalysis in such equipment.
  • Said fins 2 are fixed, for example, on said first electrical connection means, in particular by crimping and / or brazing.
  • the module may further comprise second electrical connection means 16 establishing an electrical connection between the inner periphery surfaces 11b of two of said adjacent thermoelectric elements 1, of different types and not connected by said first electrical connection means.
  • said first and second electrical connection means connect two in pairs said electric thermo elements 1 so to establish an electrical circulation in series between said thermoelectric elements 1 of the module.
  • the casing 12 is at least two assembled parts 12a, 12b, and comprises at least a first so-called inlet slot 13 of the second fluid and a second slot exhaust 14 of said second fluid.
  • said envelope 12 consists of two parts 12a, 12b respectively corresponding to a fraction of tube of circular cross-section, each fraction of tube being substantially hemi-cylindrical, and closed at its ends respectively by a washer 17 of complementary shape, that is to say of circular shape, comprising at least two lugs 18 extending outwardly from the periphery of said washer 17 so as to form at least two slots 13 and 14 between said fractions of tubes 12a, 12b.
  • the envelope 12 consists of two circular half-tubes 12a, 12b and closed at its ends by two annular washers 17 provided with two radial pins 18 on which bear the two half-tubes 12a, 12b to form the slot.
  • the two lugs 18 of the washers 17 are diametrically opposed so that the intake slot 13 extends on the opposite side to the exhaust slot 14.
  • pins 18 of the washers 17 may be any depending on the relative angular position between the intake slot 13 and the exhaust slot 14 of the gases exhaust.
  • said lugs 18 form an angle of approximately 120 ° so that a first tube fraction 12a has a tube cross-section of approximately 240 ° and the second fraction of tube 12b has a tube cross section of about 120 °.
  • the inner wall of the casing 12 bears on the fins 2.
  • the entire flow of exhaust gas flows through the fins 2 of the electric thermo elements 1.
  • the parts 12a, 12b of the envelope 12 are obtained in a material having dielectric properties to ensure the electrical insulation of the electric thermoelectric elements 1 with the external environment.
  • said parts 12a, 12b of the envelope are obtained in a material having a temperature withstand of at least 800 ° C.
  • the portions 12a, 12b of the casing 12 are obtained in molded ceramic, extruded mica or alumina.
  • the intake and exhaust slots 14 are arranged in such a way that the passage section given by the slots 13 and 14 is equivalent to the passage section through the fins 2.
  • thermoelectric device 100 comprising a plurality of modules 3 as described above positioned circularly and extending parallel to the inside of a housing 101 of tubular shape whose ends are closed by an intake manifold 102 of a first fluid, that is to say hot exhaust gas, and an intake / exhaust manifold 103 of a second fluid, namely a heat transfer fluid a cooling circuit, and respectively by an exhaust manifold 104 of said first fluid and return of the second fluid.
  • the intake manifold 102 of the first fluid consists of a cylindrical nozzle 105 opening into the housing 101 flaring and the collector 103 of the second fluid consists of a housing 106 in the form of a cylindrical ring, having two side walls 107, 108 which have the shape of a disk provided with a circular central hole 109, a cylindrical inner wall 110 and a cylindrical outer wall 111, holes 112 formed on one of the side walls 108 to receive the central tubes 15 of the thermoelectric modules 3, said holes 112 being provided with sealing means, not shown in the figures.
  • said housing 106 comprises at least one internal partition defining at least one so-called inlet chamber and an exhaust chamber, and at least one intake manifold 113 opening into the intake chamber and a so-called manifold exhaust 114 opening into the exhaust chamber.
  • the intake manifolds 113 and exhaust 114 extend radially from the outer peripheral wall 111 of the housing 106.
  • the exhaust manifold 104 has a conical shape in communication with gutters 115 extending between two modules 3 of contiguous electrical thermo elements respectively comprising an inlet slot 116 in fluid communication with the exhaust slot 14. a module.
  • Said exhaust manifold 104 also comprises an inner ring 117 comprising holes receiving the central tubes 15 of the electric thermo modules 3 in which the second fluid circulates, namely the coolant of the cooling circuit, said ring 117 having internal walls, not shown in the figures, for communicating the central tubes 15 of the modules 3.
  • the first fluid namely the hot exhaust gas
  • electric thermo elements then is introduced into the envelopes of said modules 3 through the intake slots 13 of said envelopes 12.
  • the first fluid passes through all the fins 2 before emerging envelopes via the exhaust slots 14 and to be recovered by the gutters 115 and to be evacuated by the exhaust manifold 104.
  • the second fluid namely the heat transfer fluid of the cooling circuit, is introduced into the intake manifold 103 via the intake manifolds 113 to it circulates in the central tubes 15 via the inner ring 117 before escaping through the exhaust pipes 114.

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Abstract

Module et dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile La présente invention concerne un module thermo électrique comprenant au moins un élément thermo électrique (1), en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure (11a) définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure (11b) définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe (12) coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques (1), constituée d'au moins deux parties (12a,12b) assemblées, et comportant au moins une première fente dite d'admission (13) du second fluide et une seconde fente dite d'échappement (14) dudit second fluide.

Description

Module et dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile
La présente invention se rapporte à un module et un dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile.
Dans le domaine automobile, a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques, également appelés générateurs thermo électriques ou TEG selon l'acronyme anglo-saxon « ThermoElectric Generator », 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 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.
Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entraînée par le vilebrequin du moteur. Il a déjà été développé par la demanderesse des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le gradient de température permettant de générer le courant électrique est imposé entre deux de leurs faces cylindriques opposées, le fluide chaud et le fluide froid circulant coaxialement, l'un à l'intérieur de l'anneau et l'autre à l'extérieur. Ce type d'éléments thermo électriques présente des difficultés d'intégration qui entraînent l'engagement d'une quantité importante de matière grevant le coût de revient et augmentant l'inertie thermique du dispositif. Afin de remédier à ces inconvénients, la demanderesse a développé un module thermo électrique comportant des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le premier fluide et le second fluide circulent de manière transversale l'un par rapport à l'autre. Un tel module thermo électrique est représenté sur la figure 1 et comporte une pluralité d'éléments thermo électriques 1 de forme annulaires disposés dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre de façon coaxiale, avec par exemple une alternance d'éléments thermo électriques de type N et d'éléments thermo électriques de type P. Chaque élément thermo électrique 1 comporte des ailettes 2 s'étendant depuis la périphérie extérieure, transversalement et radialement. Ces ailettes 2, usuellement obtenues dans de l'aluminium ou de l'inox et serties sur le diamètre extérieure des anneaux des éléments thermo électriques 1, permettent de favoriser les échanges thermiques avec les gaz chauds d'échappement qui circulent à travers lesdites ailettes 2, un fluide froid circulant au centre des éléments thermo électriques 1, et extraire le maximum de chaleur des gaz d'échappement pour la transférer aux matériaux thermo électriques.
Pour canaliser les gaz chauds au travers des ailettes 2, on utilise usuellement une enveloppe cylindrique coiffant les ailettes 2 des éléments thermo électriques 1 qui sont assemblés sous la forme d'un crayon cylindrique 3, le crayon 3 d'éléments thermo électriques 1 étant inséré dans l'enveloppe cylindrique dont le diamètre interne est ajusté au diamètre externe des ailettes 2 qui présentent alors une forme circulaire. Afin de réaliser un générateur thermo électrique, plusieurs crayons 3 peuvent être assemblés ensemble, le nombre de crayons 3 dépendant de la puissance électrique souhaitée, dans une pièce en céramique en forme de barillet 4 telle que représentée sur les figures 2 et 3 et comportant un trou central 5 dans lequel circule les gaz chauds d'échappement et des trous cylindriques périphériques 6 dont les axes sont parallèles à celui du trou central 5, lesdits trous cylindriques 6 étant en communication de fluide avec le trou central 5 au moyen de fentes longitudinales 7 et recevant lesdits crayons 3. Afin de permettre l'échappement des gaz chauds d'échappement des trous cylindriques périphériques 6, après avoir traversés les ailettes 2 des crayons 3, lesdits trous cylindriques périphériques comportent des fentes dites d'échappement 8 longitudinales en communication avec l'extérieur du barillet 4.
Dans ce type d'assemblage, un certain jeu dimensionnel entre le diamètre externe des ailettes 2 et le diamètre interne des trous périphériques 6 du barillet 4 est nécessaire afin de permettre l'insertion desdits crayons 3 dans les trous 6 du barillet 3. Ce jeu dimensionnel présente l'inconvénient de constituer un passage privilégié pour une partie du flux de gaz chaud qui, par conséquent, ne circule pas entre les ailettes 2. Ainsi, les échanges thermiques ne sont pas optimaux et l'efficacité globale du générateur thermo électrique est diminuée. L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un module thermo électrique comprenant au moins un élément thermo électrique, en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques, constituée d'au moins deux parties assemblées, et comportant au moins une première fente d'admission du second fluide et une seconde fente dite d'échappement dudit second fluide. Le premier fluide est, par exemple, un liquide de refroidissement et le second fluide est notamment du gaz d'échappement.
Grâce à cette construction de l'enveloppe coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques, il n'est plus nécessaire d'avoir un jeu dimensionnel entre le diamètre externe des ailettes des éléments thermo électrique et le diamètre interne de l'enveloppe puisque lesdits éléments thermo électriques ne sont plus insérés dans l'enveloppe coaxialement.
Selon un aspect de l'invention, ladite enveloppe est constituée d'au moins deux fractions de tubes de section droite circulaire ou polygonale et fermée à ses extrémités respectivement par une rondelle de forme complémentaire comportant au moins deux ergots s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite rondelle de manière à former au moins deux fentes entre lesdites fractions de tubes.
Selon un exemple de réalisation, les éléments thermo électriques présentent une forme annulaire et comprennent des ailettes serties sur la face extérieure desdits éléments thermo électriques, lesdites ailettes s'étendant perpendiculairement à l'axe de révolution desdits éléments thermo électriques.
Avantageusement, la paroi intérieure de l'enveloppe prend appui sur les ailettes. Ainsi, la totalité du flux de gaz d'échappement circule à travers les ailettes des éléments thermo électriques.
Selon un exemple de réalisation, l'enveloppe est constituée de deux demi-tubes circulaires et fermée à ses extrémités par deux rondelles annulaires munies de deux ergots radiaux sur lesquels prennent appui les deux demi-tubes pour former la fente d'admission et la fente d'échappement.
Selon un aspect de l'invention, les parties de l'enveloppe sont obtenues dans un matériau possédant des propriétés diélectriques afin d'assurer l'isolation électrique des éléments thermo électriques avec l'environnement extérieur.
Selon un aspect de l'invention, lesdites parties de l'enveloppe sont obtenues dans un matériau ayant une tenue en température d'au moins 800°C.
De manière avantageuse, ledit matériau dans lequel sont obtenues les parties de l'enveloppe consiste en de la céramique.
Avantageusement, les fentes d'admission et d'échappement sont agencées de telle manière que la section de passage donnée par les fentes soit équivalente à la section de passage à travers les ailettes. L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules tels que décrits précédemment.
Avantageusement, ledit dispositif est configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent dans l'enveloppe, lesdits gaz définissant le second fluide.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels :
- la figure 1 illustre de façon schématique un module thermo électrique de l'art antérieur constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques annulaires et d'ailettes radiales. la figure 2 est une vue en perspective d'une pièce en forme de barillet recevant des modules thermo électriques de l'art antérieur,
la figure 3 est une vue de côté de la pièce en forme de barillet dans laquelle sont positionnés des modules thermo électriques de l'art antérieur,
la figure 4 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 5 est une vue en perspective éclatée d'un exemple de réalisation d'un module thermo électrique conforme à l'invention,
la figure 6 est une vue en perspective d'un exemple de dispositif thermo électrique conforme à l'invention comprenant plusieurs modules,
- la figure 7 est une vue en élévation en perspective d'un exemple de dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 8 illustre de façon schématique, en coupe transversale, un exemple de dispositif thermo électrique conforme à l'invention.
Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
Comme illustré aux figures 4 et 5, l'invention concerne un module thermo électrique, ledit module comprend un premier circuit 9 dit chaud apte à permettre la circulation d'un premier fluide, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et un second circuit 10 dit froid apte à permettre la circulation d'un second fluide, notamment un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. Ledit second fluide présentant ainsi un coefficient d'échange thermique supérieur audit premier fluide. Ledit module comprend au moins un élément thermo électrique 1, ici une pluralité d'éléments thermo électriques Ιη,ΐρ, en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure lia définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure 11b définie par une surface de périphérie intérieure, le second fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et le premier fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe 12 coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques 1, constituée d'au moins deux parties assemblées 12a, 12b, et comportant au moins une première fente dite d'admission 13 du second fluide et une seconde fente dite d'échappement 14 dudit second fluide.
On notera que les faces extérieures 11b et intérieures lia des éléments thermo électriques 1 sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale par exemple, et/ou polygonale est possible.
De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre les faces intérieure 11b et extérieure lia des éléments thermo électriques Ιη,ΐρ soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).
Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments lp d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments ln d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Aux figures 1 et 5, les éléments thermo électriques 1 représentés sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau.
La surface extérieure lia présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la surface intérieure 11b. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ 2 fois celui de la surface intérieure 11b.
Ledit élément thermo électrique 1 présente, par exemple, deux faces planes parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermo électrique 1 est de section annulaire rectangulaire. Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces planes, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité électrique.
Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N, et ledit module est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermo électriques 1 d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo électriques 1 de ladite même paire et l'élément thermo électrique 1 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques lp, ln disposés les uns à côtés des autres selon la direction D.
Pour la circulation des fluides, le module conforme à l'invention pourra comprendre un canal 15 de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde surface 11b desdits éléments thermo électriques lp, ln.
Selon ce qui précède, le canal 7 de circulation de liquide froid est unique et placé au centre du module. Selon une variante, il pourra être prévu une pluralité de canaux de circulation de liquide froid.
Le ou lesdits canaux 15 de circulation de liquide sont, par exemple, de section circulaire. Aux figures 1, 4 et 5, on constate que ledit module comprend des tube 15 de circulation de liquide froid sur lequel sont montés une pluralité d'éléments thermo électriques 1 du même type alternant selon la direction d'extension longitudinale D du tube 15 avec un élément thermo électrique de l'autre type. Les tubes 15 sont, notamment, métalliques. Ils définissent au moins en partie ledit canal.
Ledit module pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique, non représentés sur les figures, disposés entre deux faces en vis-à- vis d'éléments thermo électriques voisins lp, ln selon la direction d'extension D longitudinale du tube 15.
Ledit module pourra en outre comprendre des premiers moyens de connexion électrique, non représentés sur les figures, reliant les surfaces de périphérie extérieur lia de deux desdits éléments thermo électrique, prévus adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique comprennent, par exemple, une couche de matière électriquement conductrice, notamment en cuivre et/ou en nickel, de revêtement desdits éléments thermo électriques lp, ln.
Ledit module comprend avantageusement des surfaces d'échange secondaire, en particulier des ailettes 2, avec le second fluide. On augmente de la sorte la surface d'échange entre les éléments thermo électriques 1 et ledit second fluide. Lesdites ailettes 2 sont disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo électriques 1. Elles sont ici positionnées parallèlement les unes aux autres avec un écartement permettant un bon échange de chaleur avec le second fluide tout en limitant les pertes de charges. Lesdites ailettes 2 pourront être décentrées par rapport auxdits éléments thermo électriques lp, ln, notamment allongées du côté de l'arrivée du second fluide. Lesdites ailettes 2 pourront comprendre un revêtement catalytique pour assurer une conversion catalytique de composants toxiques du second fluide. Dans le cas de gaz d'échappement, ledit module pourra de la sorte équiper un pot catalytique en complément ou substitution des composants servant classiquement à la catalyse dans de tels équipements.
Lesdites ailettes 2 sont fixées, par exemple, sur lesdits premiers moyens de connexion électrique, notamment par sertissage et/ou brasage.
Le module pourra en outre comprendre des seconds moyens 16 de connexion électrique établissant une connexion électrique entre les surfaces de périphérie intérieur 11b de deux desdits éléments thermo électrique 1, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique. Autrement dit, lesdits premiers et seconds moyens de connexion électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 1 de façon à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique 1 du module.
Comme déjà évoqué, en référence aux figures 4 et 5, l'enveloppe 12 est d'au moins deux parties assemblées 12a,12b, et comporte au moins une première fente dite d'admission 13 du second fluide et une seconde fente dite d'échappement 14 dudit second fluide. Grâce à cette construction de l'enveloppe coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques, il n'est plus nécessaire d'avoir un jeu dimensionnel entre le diamètre externe des ailettes des éléments thermo électrique et le diamètre interne de l'enveloppe puisque lesdits éléments thermo électriques ne sont plus insérés dans l'enveloppe coaxialement.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, ladite enveloppe 12 est constituée de deux parties 12a, 12b correspondant respectivement à une fraction de tube de section droite circulaire, chaque fraction de tube étant sensiblement hémi-cylindrique, et fermée à ses extrémités respectivement par une rondelle 17 de forme complémentaire, c'est-à-dire de forme circulaire, comportant au moins deux ergots 18 s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite rondelle 17 de manière à former au moins deux fentes 13 et 14 entre lesdites fractions de tubes 12a, 12b. Ainsi, l'enveloppe 12 est constituée de deux demi-tubes circulaires 12a,12b et fermée à ses extrémités par deux rondelles annulaires 17 munies de deux ergots radiaux 18 sur lesquels prennent appui les deux demi-tubes 12a,12b pour former la fente d'admission 13 et la fente d'échappement 14 du second fluide. Dans cet exemple de réalisation, les deux ergots 18 des rondelles 17 sont diamétralement opposés de sorte que la fente d'admission 13 s'étend du côté opposé à la fente d'échappement 14. Toutefois, en référence à la figure 5, la position des ergots 18 des rondelles 17 peut être quelconque en fonction de la position angulaire relative entre la fente d'admission 13 et la fente d'échappement 14 des gaz d'échappement. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 5, lesdits ergots 18 forment un angle d'environ 120° de sorte qu'une première fraction de tube 12a présente une section droite de tube d'environ 240° et que la seconde fraction de tube 12b présente une section droite de tube d'environ 120°.
Avantageusement, la paroi intérieure de l'enveloppe 12 prend appui sur les ailettes 2. Ainsi, la totalité du flux de gaz d'échappement circule à travers les ailettes 2 des éléments thermo électriques 1.
Par ailleurs, les parties 12a,12b de l'enveloppe 12 sont obtenues dans un matériau possédant des propriétés diélectriques afin d'assurer l'isolation électrique des éléments thermo électriques 1 avec l'environnement extérieur. De plus, lesdites parties 12a, 12b de l'enveloppe sont obtenues dans un matériau ayant une tenue en température d'au moins 800°C. Ainsi, de préférence, les parties 12a,12b de l'enveloppe 12 sont obtenues dans de la céramique moulée, du mica extrudé ou encore de l'alumine.
Avantageusement, les fentes d'admission 13 et d'échappement 14 sont agencées de telle manière que la section de passage donnée par les fentes 13 et 14 soit équivalente à la section de passage à travers les ailettes 2.
Comme illustré aux figures 6 à 8, l'invention concerne encore un dispositif thermo électrique 100 comprenant une pluralité de modules 3 tels que décrits plus haut positionnées circulairement et s' étendant parallèlement à l'intérieur d'un carter 101 de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par un collecteur d'admission 102 d'un premier fluide, c'est-à-dire de gaz chauds d'échappement, et un collecteur d'admission/échappement 103 d'un second fluide, à savoir un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, et respectivement par un collecteur d'échappement 104 dudit premier fluide et de retour du second fluide. Le collecteur d'admission 102 du premier fluide consiste en une tuyère 105 cylindrique débouchant dans le carter 101 en s' évasant et le collecteur 103 du second fluide est constitué d'un boîtier 106 en forme de couronne cylindrique, comportant deux parois latérales 107,108 qui présentent la forme d'un disque muni d'un trou central circulaire 109, une paroi intérieure cylindrique 110 et une paroi extérieure cylindrique 111, des trous 112 pratiqués sur l'une des parois latérales 108 pour recevoir les tubes centraux 15 des modules thermo électrique 3, lesdits trous 112 étant munis de moyens d'étanchéité, non représentés sur les figures. Par ailleurs, ledit boîtier 106 comporte au moins une cloison interne définissant au moins une chambre dite d'admission et une chambre dite d'échappement, et au moins une tubulure dite d'admission 113 débouchant dans la chambre d'admission et une tubulure dite d'échappement 114 débouchant dans la chambre d'échappement. Les tubulures d'admission 113 et d'échappement 114 s'étendent radialement depuis la paroi périphérique extérieure 111 du boîtier 106.
Le collecteur d'échappement 104 présente une forme conique en communication avec des gouttières 115 s'étendant entre deux modules 3 d'éléments thermo électriques contigus comportant respectivement une fente d'admission 116 en communication de fluide avec la fente d'échappement 14 d'un module. Ledit collecteur d'échappement 104 comporte également une couronne interne 117 comportant des trous recevant les tubes centraux 15 des modules thermo électriques 3 dans lequel circule le second fluide, à savoir le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, ladite couronne 117 comportant des parois internes, non représentées sur les figures, pour mettre en communication les tubes centraux 15 des modules 3. Ainsi, le premier fluide, à savoir les gaz chauds d'échappement, est introduit dans le carter 101 via le collecteur d'admission 102 au centre des modules 3 d'éléments thermo électriques puis est introduit dans les enveloppes desdits modules 3 en passant par les fentes d'admission 13 desdites enveloppes 12. Le premier fluide passe au travers de l'ensemble des ailettes 2 avant de ressortir des enveloppes via les fentes d'échappement 14 et d'être récupéré par les gouttières 115 et d'être évacué par le collecteur d'échappement 104. Dans le même temps, le second fluide, à savoir le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, est introduit dans le collecteur d'admission 103 via les tubulures d'admission 113 pour qu'il circule dans les tubes centraux 15 via la couronne interne 117 avant de s'échapper par les tubulures d'échappement 114.
Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module thermo électrique comprenant au moins un élément thermo électrique (1), en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure (lia) définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure (11b) définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe (12) coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques (1), constituée d'au moins deux parties (12a, 12b) assemblées, et comportant au moins une première fente dite d'admission (13) du second fluide et une seconde fente dite d'échappement (14) dudit second fluide.
2. Module selon la revendication 1 dans lequel ladite enveloppe (12) est constituée d'au moins deux fractions de tubes (12a, 12b) de section droite circulaire ou polygonale et fermée à ses extrémités respectivement par une rondelle (17) de forme complémentaire comportant au moins deux ergots (18) s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite rondelle (17) de manière à former au moins deux fentes (13,14) entre lesdites fractions de tubes (12a, 12b).
3. Module selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel les éléments thermo électriques (1) présentent une forme annulaire et comprennent des ailettes (2) serties sur la face extérieure desdits éléments thermo électriques (1), lesdites ailettes (2) s'étendant perpendiculairement à l'axe de révolution desdits éléments thermo électriques (1).
4. Module selon la revendication 3 dans lequel la paroi intérieure de l'enveloppe (12) prend appui sur les ailettes (2).
5. Module selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel l'enveloppe (12) est constituée de deux demi-tubes circulaires
(12a, 12b) et fermée à ses extrémités par deux rondelles annulaires (17) munies de deux ergots (18) radiaux sur lesquels prennent appui les deux demi-tubes (12a, 12b) pour former la fente d'admission (13) et la fente d'échappement (14).
6. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les parties (12a, 12b) de l'enveloppe (12) sont obtenues dans un matériau possédant des propriétés diélectriques.
7. Module selon la revendication 6 dans lequel les parties
(12a, 12b) de l'enveloppe (12) sont obtenues dans un matériau ayant une tenue en température d'au moins 800°C.
8. Module selon l'une quelconque des revendications 6 et 7 dans lequel ledit matériau consiste en de la céramique.
9. Module selon l'une quelconque des revendications 3 à 8 dans lequel les fentes d'admission (13) et d'échappement (14) sont agencées de telle manière que la section de passage donnée par les fentes (13,14) soit équivalente à la section de passage à travers les ailettes (2).
10. Dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.
11. Dispositif thermo électrique selon la revendication 10 configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent dans l'enveloppe, lesdits gaz définissant le second fluide.
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