EP3022780A1 - Générateur thermoélectrique - Google Patents

Générateur thermoélectrique

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Publication number
EP3022780A1
EP3022780A1 EP14767042.6A EP14767042A EP3022780A1 EP 3022780 A1 EP3022780 A1 EP 3022780A1 EP 14767042 A EP14767042 A EP 14767042A EP 3022780 A1 EP3022780 A1 EP 3022780A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermocouple
conduit
duct
ducts
along
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14767042.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sébastien VESIN
Joël DUFOURCQ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hotblock Onboard
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Hotblock Onboard
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hotblock Onboard, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Hotblock Onboard
Publication of EP3022780A1 publication Critical patent/EP3022780A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric device for generating an electric current, in particular by exploiting exhaust gases discharged by a combustion engine.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a thermoelectric device.
  • thermoelectric generator uses thermoelectric modules subjected to a temperature gradient between two of their opposite faces.
  • Such thermoelectric modules generally comprise thermocouples electrically connected in series and thermally in parallel.
  • Each thermocouple is formed by two studs connected to one another at one end by an electrical connection element.
  • the studs forming a thermocouple are based on different thermoelectric materials intended to generate an electric current when they are subjected to a temperature gradient.
  • the thermocouples are electrically connected in series by electrical connection elements which are generally metallic elements.
  • the temperature gradient is created by having two heat sources at the opposite faces of the thermoelectric modules, a first so-called cold source and a second so-called hot source.
  • Each of the two sources may comprise a conduit in which a fluid circulates, the fluid associated with the cold source having a temperature lower than that of the fluid associated with the hot source.
  • Such devices can be used cleverly in heat exchangers to produce electricity.
  • this type of device can be associated with a combustion engine, by converting the heat coming from the exhaust gases of the engine.
  • these thermoelectric generators can suffer from the appearance of thermal resistances between the thermoelectric modules and the sources of heat. Indeed, according to certain operating conditions, the thermoelectric modules can be subject, cyclically, to significant thermal gradients, especially when the hot source is generated by heat from the exhaust gas.
  • thermoelectric generator The difference between the thermal expansion coefficients of the materials of the thermoelectric modules and the materials forming the heat sources, is at the origin of strong stresses and mechanical deformations, generated by the numerous thermal cycles during the operation of the thermoelectric generator. These thermomechanical deformations can alter the quality of the thermal contacts between the heat sources and the thermoelectric modules, which can have adverse consequences on the thermic and electrical performances of the thermoelectric generator, but also on its thermomechanical reliability and its longevity.
  • thermoelectric generator taking advantage of its thermal environment while being reliable, efficient, and easy to manufacture.
  • thermoelectric generator comprising:
  • a calender extending along a longitudinal axis and provided with two plates each having a through orifice, and respectively disposed at two ends of the calender opposite along the longitudinal axis;
  • first and second ducts being disposed in the calender and extending along a longitudinal axis and each having two opposite ends along the longitudinal axis;
  • thermocouple interposed between the first and second conduits.
  • the first conduit of said generator is sealingly assembled on the two additional plates so that each of the ends of the first conduit communicates with the circulation orifice formed in one of the additional plates.
  • the second duct is assembled on the two plates so that each of the ends of the second duct communicates with the orifice of one of the plates and that the second set duct and calender is sealed.
  • one of the two plates of the shell is sealed with one of the two additional plates so as to define an inter-plate space communicating with a sealed internal space delimited by the second conduit via minus the orifice formed in the shell of the shell.
  • the device also comprises an outlet pipe formed in one of the interconnected plates, and communicating with the inter-plate space.
  • the device comprises means for evacuating the inter-plate space and the internal space via the outlet pipe.
  • the inter-plate space and the internal space comprises an inert gas.
  • thermocouple extends along a transverse axis
  • first and second conduits are shaped so that the thermocouple undergoes compressive stress, along the transverse axis, between said first and second ducts.
  • the distance d between the first and second conduits at the cross section of the thermocouple is less than the transverse dimension d2 of the thermocouple, the distance d1 and the dimension d2 being measured at the same temperature.
  • thermoelectric generator comprises means for circulating a first fluid at a first temperature in the first conduit, and a second fluid covering the second conduit, the second fluid being at a second temperature below the first temperature. first temperature.
  • the fluid circulation means are configured to circulate a pressurized fluid in the first conduit and / or in the second conduit.
  • thermoelectric generator comprising the following steps: - Provide the first and second ducts, the first duct being configured to be housed in the second duct and extend along the longitudinal axis of the second duct;
  • thermocouple extending along the transverse axis
  • thermocouple undergoes compressive stress, along the transverse axis, between the first and second ducts.
  • thermoelectric generator comprises the following steps:
  • first and second half-ducts extending along the longitudinal axis and configured to form the second duct by assembling the first and second half-ducts;
  • thermocouple pressing the first and second half-ducts towards each other so as to impose on the thermocouple a compressive stress, along the transverse axis, between the first half-duct and the first duct;
  • thermocouple Secure the first and second half-ducts to form the second duct, the thermocouple being maintained in compression, along the transverse axis, between the first and second ducts.
  • the first and second ducts respectively comprise first and second substantially plane and parallel surfaces arranged facing each other so that the thermocouple is interposed between said first and second surfaces.
  • an interface strip based on an electrically insulating material is interposed between the thermocouple and the first conduit, and / or between the thermocouple and the second conduit.
  • the device is configured so that exhaust gases discharged by a heat engine flow either in the first conduit or around the second conduit.
  • FIGS. 3 and 4 schematically illustrate, in cross-section, a thermoelectric device according to different embodiments of the invention
  • FIG. 1 illustrates schematically, in longitudinal section, the device of Figure 1;
  • thermoelectric device according to one embodiment of the invention
  • Figure 8 schematically illustrates an exploded view of a thermoelectric device comprising a calender according to one embodiment of the invention
  • thermoelectric device comprising a calender according to one embodiment of the invention.
  • thermoelectric generator improved operation
  • an advantageous arrangement and assembly of certain elements forming the thermoelectric generator is envisaged.
  • thermoelectric device 1 comprises first 10 and second 12 ducts extending along a longitudinal axis 11.
  • the first duct 10 is disposed in the second duct 12.
  • the first and second ducts 10 and 12 are arranged so that they extend along the longitudinal axis 11, for example in a parallel manner and advantageously in a coaxial manner.
  • thermoelectric device 1 comprises a thermocouple 20 extending preferably along a transverse axis 13, perpendicular or substantially perpendicular to the longitudinal axis 11.
  • the thermocouple 20 is interposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the ducts 10 and 12 are shaped so that the thermocouple 20 undergoes a compression stress o c , along the axis 13.
  • the compressive stress o c is a clamping stress which is permanently applied to the thermocouple 20, between the first 10 and second 12 ducts, and it is preferably between 0.2 and 10 MPa, advantageously between 0, 5 and 4 MPa.
  • the thermoelectric device 1 also comprises an additional thermocouple 21 also disposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the thermocouple 20 and the additional thermocouple 21 are, for example, arranged on either side along the transverse axis 13, of the first duct 10.
  • the thermoelectric device 1 comprises a stack, along the transverse axis 13, comprising the thermocouple 20 disposed on the first conduit 10, itself arranged on the additional thermocouple 21. This stack is disposed inside the second conduit 12, so that the thermocouples 20 and 21 are interposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the first duct 10 is kept at a distance from the second duct 12 by means of the thermocouples 20 and 21.
  • thermocouple is defined as being an element comprising two pads electrically connected to each other, preferably at one of their ends, by an electrically conductive, and preferably thermally conductive connection element.
  • the pads of the same thermocouple are formed in two materials of different thermoelectric natures.
  • materials of different thermoelectric natures we mean materials of different chemical compositions, able to transform when electrically connected, thermal energy into electrical energy and / or vice versa.
  • the thermoelectric device 1 comprises, advantageously, several thermocouples electrically connected to each other in series by connection elements 203, to form a first thermoelectric module 25 interposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the module 25 preferably comprises identical thermocouples 20, which also undergo compression stresses a c between the first 10 and second 12 ducts.
  • Terminating electrical connectors 204 and 205 are located at the ends of the series of thermocouples 20 of the module 25 to provide the electrical connections of the thermoelectric module 25.
  • the connectors 204 and 205 may be used in particular to recover the electrical current generated by the module 25. or to connect the module 25 with other thermoelectric modules.
  • the thermoelectric device 1 also comprises an additional thermoelectric module 26, comprising the additional thermocouple 21, also disposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the thermoelectric device 1 comprises a stack, along the transverse axis 3, comprising the thermoelectric module 25 disposed on the first conduit 10, itself arranged on the additional module 26. This stack is disposed inside the second conduit 12, so that the modules 25 and 26 are interposed between the first 10 and second 12 ducts.
  • the module 26 preferably comprises a plurality of thermocouples 21 connected together in series by connection elements 213, and electrical termination connectors 214 and 215.
  • the number of thermocouples forming the modules 25 and 26 can be evaluated according to the optimal compromise between the geometry of the thermocouples, their distributions and the electrical power produced from the thermal power therethrough.
  • the thermoelectric device 1 is configured to generate electrical power from a heat transfer between the thermocouple 20 and two heat sources generating a thermal gradient.
  • the thermocouple 20 (21) comprises two pads 201 (211) based on different thermoelectric materials interconnected by an electrically conductive element 202 (212).
  • the two pads 201 (211) may be based on a semiconductor material, such as silicon or silicon-germanium alloy, respectively doped P and N.
  • the pads 201 (211) may also be based on semi -metals (Bi, Sb, etc.). In fact, those skilled in the art are able to choose the type of material of the thermocouple pads (21) depending on the environment of use of the thermoelectric device.
  • the pads 201 (211) may have any geometric shape, for example a parallelepipedal or cylindrical shape. Each pad 201 (211) extends along the transverse axis 13 so that it is disposed between the first 10 and second 12 ducts. In addition, each pad 201 (211) has opposite first and second ends along the transverse axis 13. The first end is disposed between the first duct 10 and the second end, which is itself arranged between the second duct 12 and the first end. Each pad 201 (211) of the thermocouple 20 (21) has at its one end connection elements 203 (2 3), or electrical termination connectors 204 (214) and 205 (215) forming a first end of the thermocouple 20 ( 21).
  • thermocouple 20 (21) are connected together, preferably at the second end by the electrically conductive element 202 (212) generally formed by a metal element.
  • the element 202 (212) then forms the second end of the thermocouple (21), opposite the first end, along the transverse axis 13.
  • the heat sources of the thermoelectric device 1 are provided with first 10 and second 12 ducts, and are configured to create a thermal gradient between the opposite ends of the thermocouple 20.
  • the first duct 10 is advantageously a sealed duct, configured to allow the circulation of a first fluid.
  • the first duct 10 preferably comprises internal fins to improve the heat exchange between the first fluid and the inner walls of the first duct 10.
  • the second duct 12 is advantageously a sealed duct configured to be embedded in a second fluid, so as to that the first conduit 10 is devoid of any contact with the second fluid, or to limit the contact between the two fluids.
  • the first 10 and second 12 conduits are, in particular, stainless steel, and they can be formed by any known means, for example by profiling, welding and / or brazing.
  • the first and second ends of the thermocouple 20 are preferably in direct contact with the first 10 and second 12 ducts, respectively. Furthermore, to allow the thermoelectric device 1 to generate electrical energy, the contacts between the conduits 10 and 12, and the thermocouple 20 must avoid the creation of a short circuit within the thermocouple 20 or the thermoelectric module 25 while facilitating the heat transfers. Thus, the portions of the conduits 10 and 12 and / or the thermocouple 20 constituting these contacts are based on an electrically insulating and thermally conductive material.
  • the contacts between the thermocouple 20 and the heat sources comprise a layer based on an electrically insulating material.
  • This layer may be based on silicon oxide, or based on a ceramic-type material. As an example based on aluminas
  • the layer may also be based on a glass-ceramic type material such as chromium oxide.
  • the parts in contact may undergo, depending on the compatibility of the materials used, an anodizing step, or comprise a coating DLC (DLC for the abbreviation of "Diamond-Like Carbon").
  • thermoelectric device 1 comprises an interface lamella 16, commonly called a substrate, interposed between the second conduit 12 and the electrically conductive element 202, ie the second end of the thermocouple 20.
  • the lamella 16 may be based on AIN and it is in direct contact with the thermocouple 20 and / or the second conduit 12.
  • the thermoelectric device 1 also comprises the same type of interface plate 16 interposed between the first conduit 10 and the first end of the thermocouple 20.
  • This type of interface plate 16 advantageously allows the thermocouple 20 to be protected against appearance of a short circuit.
  • the interface strip 16 may also fulfill a mechanical buffer function to homogenize the clamping stresses applied to the thermocouple 20 by the ducts 10 and 12 during assembly, and possibly during the operation of the thermoelectric device 1.
  • this type of interface plate 16 advantageously allows thermal homogenization between the ends of the thermocouple 20 and the first 10 and second 12 ducts.
  • thermoelectric device 1 makes it possible to arrange the thermocouple 20 between two heat exchange walls formed by the conduits 10 and 12.
  • the thermocouple 20 undergoes a compressive stress Oc applied by the first 10 and second 12 ducts, making it possible to advantageously to ensure a permanent clamping constraint, along the transverse axis 13.
  • This clamping constraint makes it possible to avoid or at least to minimize the effect of the thermomechanical deformations of the conduits 10 and 12, and / or of the thermocouple 20 on the alteration of the contact zones between these elements.
  • the compressive stress a c thus makes it possible to maintain good quality contacts between the heat sources, and the thermocouple 20, which avoids the creation of thermal resistances, in the thermal transfer zones. The thermal resistances are then minimized and the heat transfer improved.
  • the compressive stress o c advantageously makes it possible to improve the conversion of the thermal energy passing through the thermocouple into electrical energy.
  • the compression stress ⁇ 0 advantageously makes it possible to limit the shear stresses which are detrimental to the thermoelectric pads 201 of the thermocouple 20.
  • the distance d1 separating the first 10 and second 12 ducts at the cross section of the thermocouple 20 is smaller than the transverse dimension d2 of the thermocouple 20.
  • the distance d1 and the dimension d2 are measured at a distance of same temperature Tmes.
  • the first 10 and second conduit 12 define a space E20 configured to house the thermocouple 20, and the distance d1 corresponds to the transverse dimension of this space E20.
  • the transverse dimension d2 of the thermocouple 20 is larger than the transverse dimension d1 of the space E20.
  • thermoelectric device 1 can be carried out according to several modes, in particular by exploiting the difference of the thermomechanical deformations of the conduits 10 and 12, and the thermocouple 20.
  • the temperatures of the thermocouple 20, and conduits 10 and 12 may be adjusted during the embodiment of the device 1, so that the thermocouple 20 can be arranged in the space E20.
  • the thermocouple 20 When returning to a thermal equilibrium, in other words, the ducts 10 and 12, and the thermocouple 20 are for example at the same temperature, the thermocouple 20 then undergoes a compressive stress, along the transverse axis 13, applied between the first 10 and second 2 ducts.
  • the materials of the conduits 10 and 12 are chosen so that they are sufficiently rigid to subject the thermocouple 20 to said thermal equilibrium compression stress.
  • the thermoelectric device 1 comprises means (not shown in the figures) for circulating fluids within the device 1. These means are configured to circulate a first fluid at a first temperature T1 in the first conduit 10. The circulation means are also configured to circulate a second fluid covering the second conduit 12, the second fluid being at a second temperature T2 preferably lower than the first temperature T1. Furthermore, the fluid circulation means can be configured to circulate a pressurized fluid in the conduit 10 and / or the conduit 12, thereby increasing the compression stress o c applied to the thermocouple 20.
  • the first temperature T1 is chosen so that the first duct expands, and / or the second temperature T2 is chosen so that the second duct 12 contracts.
  • the thermomechanical deformations of the ducts 0 and 12 produced by the choice of the first T1 and second T2 temperatures further reduce the transverse dimension of the space E20, thereby accentuating the compression stress o c experienced by the thermocouple 20.
  • the circulation means of the first and second fluids may comprise, for example, a pump configured to circulate a cooling liquid in a calender comprising the second conduit 12.
  • the circulation means may comprise a set of ducts configured to convey and circulate exhaust gas, discharged by a combustion engine, into the first duct 10.
  • the temperatures of the exhaust gas, and the liquid of cooling are different and can generate a large thermal gradient at the ends of the thermocouple 20, along the transverse axis 13.
  • thermoelectric generators can suffer from an oxidation problem, especially when subjected to high temperatures, which is often the case for this type of thermoelectric device. Moreover, this oxidation is accentuated when these metal connections are arranged in an atmosphere with corrosive residues such as an atmosphere comprising exhaust gases from a combustion engine.
  • the first 10 and second 12 ducts delimit an internal space E 12 sealed.
  • the thermoelectric device 1 comprises means for evacuating the internal space E12.
  • the thermoelectric device 1 may advantageously comprise means for chambering the internal space E12 with an inert gas such as argon, helium or nitrogen.
  • the evacuation or under an inert gas of the internal space E12 advantageously protects against oxidation, the elements forming the thermocouple 20, in particular the electrically conductive element 202, the connection elements 203 or the connectors of 204 and 205, which are generally based on easily oxidizable metal materials.
  • the thermoelectric device 1 is configured to operate in an environment with exhaust gases, a corrosive environment, the risk of oxidation of the elements of the thermoelectric device 1 is higher.
  • This preferred embodiment also makes it possible to protect the outer walls of the first duct 10 and the internal walls of the second duct 12 against oxidation, thus improving the reliability of the device 1 from a thermal and electrical point of view.
  • thermoelectric device as defined above comprises the following steps:
  • first duct 10 being configured to be housed in the second duct 12 and extend along the longitudinal axis 11 of the second duct 12;
  • thermocouple 20 extending along the transverse axis 13.
  • the manufacturing method comprises a step where the first and second ducts 10 and 12 are assembled so that the thermocouple 20 undergoes a compressive stress o c , along the transverse axis 13, between the first 10 and second 12 ducts.
  • the thermocouple 20 is interposed between the ducts 10 and 12 and is subjected to the compression stress a c applied by the ducts 10 and 12.
  • the compression stress a c is a permanent clamping constraint, along the transverse axis 13.
  • Clamping stress means a constraint for freezing and immobilizing the thermocouple 20 with respect to the ducts 10 and 12, in particular along the transverse axis 13.
  • the shear stresses within the thermocouple 20 are limited. Mitigating the effect of this type of constraint, advantageously makes it possible to limit the deterioration and the risk of breakage of the thermoelectric pads of the thermocouple 20.
  • the application of a compressive stress o c during the assembly of the elements of the thermoelectric device 1 can be performed by any means known in the field of assembly of mechanical parts.
  • the thermoelectric device 1 may comprise clamping means configured to reduce the dimension, along the transverse axis 13, of the second conduit 12.
  • the thermoelectric device 1 may comprise, thus, clamping elements such as a ring in the case of assembly, the clamping ring can be mounted so as to enclose the second conduit 12, a portion of the wall of which is thus interposed between a wall of the Then, the ring is tightened so as to apply the compressive stress o c to the thermocouple 20 between the first 10 and second conduit 12.
  • the clamping means make it possible to press the opposite walls, along the transverse axis 13, of the second duct 12 towards each other.
  • the first duct 10 and the thermocouple 20 are disposed inside the second duct 12, so that the thermocouple 20 is interposed, along the transverse axis 13, between the first duct 10 and the second duct 12.
  • conduits 10 and 12 and the thermocouple 20 are arranged so that the clamping means can press the first conduit 10 to the second conduit 12 so that the thermocouple 20 undergoes compression stress o c .
  • the ducts 10 and 12 are configured to form the heat sources associated with the thermocouple 20.
  • the heat sources are preferably thermally isolated from each other, or far removed from each other as much as possible.
  • the first duct 10 has a first wall separated from the second duct 12 by the thermocouple 20, and second wall opposite the first wall, along the transverse axis 13.
  • a shim 40 preferably based on a non-compressible and thermally insulating material, is interposed between the second wall of the first duct 10 and the second conduit 12.
  • the production method provides an additional thermocouple 21, preferably symmetrical to the thermocouple 20 relative to the first conduit 10.
  • the additional thermocouple 21 is disposed between the second wall of the first conduit 10, and the second conduit 12.
  • the means thus, this advantageous arrangement allows both the thermocouple 20 and the additional thermocouple 21 to be applied compressively. This advantageous arrangement makes it possible both to separate the heat sources (the ducts 10 and 12). from one another, and provide a second source of electrical generation (the additional thermocouple 21) for better exploitation of the thermal gradient provided by the heat sources.
  • an interface strip 16 based on an electrically insulating material is interposed between the thermocouple 20 and the first conduit 10, and / or between the thermocouple 20 and the second conduit 12.
  • the lamella d The interface 16 may be based on AIN, and it is arranged to be in direct contact with the thermocouple 20, and / or the conduits 10 and 12.
  • the lamella 16 advantageously avoids the occurrence of a short circuit within the thermocouple 20 and to homogenize the compressive stresses applied to the thermocouple 20 by the first 10 and second 20 conduits.
  • the production method comprises an assembly step in which the assembly temperature Ta1 of the first conduit 10 and / or the thermocouple 20 is less than the assembly temperature Ta2 of the second conduit 12
  • the thermocouple 20 is arranged to be in contact with the two heat sources.
  • contact with a heat source it is meant that the thermocouple 20 is in direct contact, either with the conduit associated with said heat source (10 or 12), or with the interface plate 16 which is itself in direct contact. with said conduit (10 or 12).
  • the assembly temperature Ta1 of the first duct 10 and / or the thermocouple 20 is chosen to be lower, and advantageously much lower, than the temperature of the heat source comprising the first duct 10 when the thermoelectric device 1 is operational and generates electrical energy.
  • the assembly temperature Ta2 of the second duct 12 is chosen to be greater, and advantageously much greater, than the temperature of the heat source comprising the second duct 12 when the thermoelectric device 1 is operational and generates an electrical energy.
  • thermomechanical deformations of the ducts 10 and 12 which allow an increase or an application of the compression stress o c experienced by the thermocouple 20. Indeed, after the step of assembly, and when the thermoelectric device 1 is subjected to the temperature gradient created by the heat sources, the first conduit 10 expands, while the second conduit 12 contracts, further compressing the thermocouple 20 interposed between the two conduits 10 and 12 .
  • the method of manufacturing the thermoelectric device 1 uses the assembly of two half-ducts to form the second duct 12.
  • first and second 14s are provided.
  • half ducts extending along the longitudinal axis 11.
  • the two half-ducts 14 and 15 are configured to form, in a sealed manner, the second conduit 12 when assembled.
  • the two half-ducts 14 and 15 may, for example, have complementary concave shapes configured to form the shape of the second duct 12.
  • the first 14 and second 15 half-ducts are then arranged opposite, by arranging the first duct 10 and the thermocouple 20 between the first 14 and second 15 half-ducts.
  • the facing of the half-pipes 14 and 15 is carried out so that the thermocouple 20 is interposed between the first half-pipe 14 and the first pipe 10.
  • first 14 and second 15 half-ducts are pressed towards each other by applying a pressure P to the two half-ducts 14 and 15.
  • This step makes it possible to transfer the pressure P exerted between the first 14 and second
  • this step is performed to impose on the thermocouple 20 a compression stress, along the transverse axis 13, between the first half-pipe 14 and the first pipe 10.
  • the first and second half-ducts 14 and 15 are subsequently secured to form the second duct 12.
  • the first duct 10 defines an internal space Em
  • the assembled duct 12 defines an internal space E12 completely independent and sealed with respect to the internal space E-10 of the first duct 10.
  • the two half-ducts 14 and 15 are secured in a sealed manner, in particular by longitudinal seam welds S c , or any other known means.
  • Longitudinal seam welding means a longitudinal joint overlap for joining the two half-pipes 14 and 5 while ensuring the continuity of the material, and thus the sealing of the second conduit 12 formed.
  • This joining is carried out so that the thermocouple 20 is maintained in compression, along the transverse axis 13, between the first duct 10 and the first half-duct 14, ie the second duct 12.
  • the first and second ducts 10, 12 respectively comprise first 101 and second 121 facing surfaces so that the thermocouple 20 is interposed between said first 101 and second 121 surfaces.
  • the first 101 and second 121 surfaces may have a convex shape.
  • thermocouple 20 is then interposed between the convex surfaces 101 and 121 which provide a spring effect, during the transfer of the pressure P to the thermocouple 20.
  • the first and second 121 surfaces are substantially planar and parallel.
  • the particular shape of the first and second ducts 10 and 12 advantageously facilitates the assembly of the thermocouple 20 and its arrangement between these two ducts. It also makes it possible to obtain a better distribution of the clamping stress and a reduction of the contact thermal resistance.
  • thermocouple 20 between the planar surfaces advantageously makes it possible to easily and effectively transfer the pressure P applied to the two half-ducts 14 and 15 to the thermocouple 20 disposed between the two ducts 10 and 12.
  • the thermocouple 20 undergoes compression stress o c applied by the first and second ducts 10 and 12.
  • the half-ducts 14 and 15 may advantageously have a U-shaped cross-section (FIG. 5).
  • each half-pipe 14 and 15 has two lateral surfaces connected by a central surface.
  • the thermocouple 20 can be placed on the central surface 121 of the first half-pipe 14 ( Figure 6).
  • the first conduit 10 has, preferably, a parallelepipedal shape so that it has a flat surface 101.
  • the first conduit 10 is then placed on the thermocouple 20 so that the flat surface 101 is parallel to the central surface 121 of the first half-conduit 14.
  • the thermocouple 20 is interposed between the central surface 121 and the flat surface 101 ( Figure 6).
  • the second half-duct 15 is, in a first step, arranged facing the first half-duct 14, more particularly facing the stack comprising, successively, the first half-duct 14, the thermocouple 20 and the first conduit 10 ( Figure 7).
  • the second duct 12 thus forms the internal space E12, totally independent of the internal space E10 of the first duct 10.
  • a shim 40 may be interposed between the first duct 10 and the second duct 12 (FIG. 4).
  • the shim 40 and the thermocouple 20 being disposed on either side, along the transverse axis 13, of the first conduit 10.
  • the shim 40 is preferably based on a non-compressible and thermally insulating material.
  • the wedge thus makes it possible to efficiently transfer the pressure applied to the two half-ducts 14 and 15 to the thermocouple 20.
  • the wedge 40 also makes it possible to thermally isolate the heat sources of the thermoelectric device 1.
  • the shim is formed by an additional thermocouple 21 (FIG. 7). From an electrical point of view, this arrangement advantageously makes it possible to provide a second source of electrical generation for better exploitation of the thermal gradient created by the first 10 and second 12 ducts. From a thermal point of view, this arrangement also makes it possible to keep the ducts 10 and 12 away from each other, to minimize the mutual thermal influence of the two heat sources of the thermoelectric device 1.
  • a calender comprising a bundle of ducts of the same type as the second duct 12.
  • calender means a cavity preferably having a cylindrical shape delimited by a hollow body.
  • a calender allows a flow of a given fluid around a duct, or a bundle of ducts, housed in the calender, thus forming one of the two heat sources of the thermoelectric device.
  • the method provides for the use of a calender 30, extending along a longitudinal axis 11 '.
  • the longitudinal axis 11 'of the shell is parallel to the longitudinal axis 11 of the pipes 10 and 12.
  • the shell 30 is provided with two plates 31 and 32 respectively disposed at the two ends of the shell 30, opposite along the axis longitudinal 11 '.
  • the calender 30 and the second duct 12, or the bundle of the ducts 12, define a calender volume V30, totally independent of the internal space E12 of each duct 12. Furthermore, the calender 30 can comprise an inlet and an outlet, configured to circulate a fluid, preferentially coolant, in the cavity of the shell 30 around the second conduit 12. The fluid flowing in the shell 30 is in contact with the outer walls of the second pipe 12, or the bundle of pipes 12.
  • the shell 30 has a cylindrical shape
  • the two plates 31 and 32 constitute the bases.
  • the plates 31 and 32 each comprise at least one through orifice.
  • the plate 31 has the orifice 31
  • the plate 32 has the orifice 321.
  • the orifices 311 and 321 are pierced in the plates 31 and 32 so as to receive the second duct 12.
  • the second duct 12 has two longitudinal ends 122 and 123, in other words, opposite ends along the longitudinal axis 11 conduits 10 and 12. Each end communicates with the orifice (311 or 321) formed in one of said plates (31 or 32).
  • the second conduit assembly 12 and calender 30 is secured in a sealed manner.
  • the duct 12 is arranged to be substantially parallel to the longitudinal axis 11 'of the calender. Furthermore, the duct 12 may also be arranged in the shell 30, between the plates 31 and 32, in any direction, for example inclined or curved.
  • each of the ends (122 or 123) is configured to be engaged in the orifice (311 or 321) of one of the two plates 31 and 32.
  • the ends of the second duct 12 are then secured in a leaktight manner.
  • the second duct 12 is disposed between the plates 31 and 32 of the calender 30.
  • the internal space Ei 2 sealed of the second duct 12 is accessible only via the two orifices 311 and 321 respectively formed in the plates 31 and 32, which are commonly called “tube plates" of the calender 30.
  • this internal space E 12 is totally independent of the volume V30 of the calender 30.
  • a duct bundle 12 Preferably, these two plates 31 and 32 are advantageously identical.
  • the method also uses a bundle of conduits of the same type as the first conduit 10.
  • two additional plates 33 and 34 are provided, each comprising at least one through-hole 331 and 341.
  • the circulation holes 331 and 341 are pierced in the additional plates 33 and 34 so as to receive the first duct 10.
  • the calender 30 is interposed between the two additional plates 33 and 34.
  • the first duct 10, having two opposite longitudinal ends 102 and 103, is disposed between the two additional plates 33 and 34. Each of the ends 102 and 103 of the first conduit 10 communicates with the circulation port 331 and 341 formed in one of said additional plates 33 and 34.
  • each of the ends 102 and 103 of the first duct 10 are engaged in the orifices 331 and 341 respectively of the two additional plates 33 and 34. These ends are then sealed to the additional plates 33 and 34 by any means. known.
  • the first duct 10, housed in the second duct 12, thus passes through the calender 30 without any interaction between the internal space E-
  • the internal space E-io sealed first conduit 10 is accessible only through the two orifices 331 and 341 respectively formed in the additional plates 33 and 34.
  • the internal space Ei 0 of the first conduit 10 is completely independent of the volume V30 of the calender 30 and the internal space E 12 of the second duct 12.
  • a bundle of ducts 10, preferably identical, can be advantageously assembled between these two additional plates 33 and 34.
  • This particular mode of assembly advantageously makes it possible to access the internal spaces E10 of all the conduits 10 simultaneously via the two additional plates 33 and 34.
  • the two additional plates 33 and 34 can respectively form an inlet and an outlet of a fluid that can circulate at the same time in the different ducts 10.
  • thermoelectric device 1 arranged so as to comprise several pairs of first and second ducts. (10 and 12), ie several thermocouples (20, 21) or thermoelectric modules (25, 26) arranged between two different heat sources. This advantageous arrangement thus makes it possible to increase the electrical generation capacity of the thermoelectric device 1.
  • a plate of the calender 31 or 32 is sealed with an additional plate 33 or 34.
  • This assembly is performed in such a way that the solid plates form an empty space Eip that will be called inter-plate space.
  • the plates are joined together at their peripheries, so that the orifice or the orifices formed in the calender plate (31 or 32) communicate with the inter-plate space Eip, and that they not be blocked by the additional plate (33 or 34).
  • the inter-plate space Eip can be achieved by a counterbore in the thickness of one of the two assembled plates.
  • the joining of the two plates can be obtained by any known means, for example by welding or by the use of a compressed seal 50 by clamping between the secured plates.
  • this assembly step makes it possible to form an inter-plate space Eip communicating with the internal space E12 of the second conduit, or of the bundle of conduits 12 via the orifice or the orifices of the plate (31 or 32) of the grille 30.
  • the inter-plate space Eip is totally independent of the space of the V30 grille.
  • the inter-plate space Eip is completely independent of the internal space E10 of the first conduit 10 or the bundle of conduits 10 collected by the additional plate (33 or 34).
  • an outlet pipe 37 is made in one of the plates between which the inter-plate space Eip is disposed.
  • the outlet pipe 37 is configured to communicate with the inter-plate space Eip.
  • the outlet pipe 37 preferably comprises a valve configured to regulate the opening of the pipe 37, and possibly the flow rate of a fluid inside the internal space E12 of the pipe 12 or the bundle of pipes 12 via the interplate space Eip.
  • the internal volume E12 of the second conduit 12 is advantageously evacuated.
  • the internal space E12 of the second duct 12, or of the duct bundle 12 is drawn to vacuum via the outlet pipe 37 and the inter-plate space Eip.
  • the internal volume E12 of the second duct 12 can also be put under an inert gas: the inter-plate space Eip and the internal space E12 are in an inert atmosphere.
  • the sealed space E 12 of the second duct 12 or the duct bundle 12 is filled with an inert gas, via the outlet duct 37 and the inter-plate space Eip.
  • the inert gas may be based on argon, helium or nitrogen.
  • the use of the thermoelectric device 1 thus produced preferably comprises the circulation of heat transfer fluids respectively in the first duct 10 and around the second duct 12. According to a preferential mode of generating an electric current by the thermoelectric device 1 illustrated in FIG. FIG. 9 circulates a first fluid F1 having a first temperature T1 in the first duct 10. In addition, around the second duct 12, a second fluid F2 is circulated having a second temperature T2, preferably less than the first one. T1 temperature.
  • thermoelectric device 1 the hot source of the thermoelectric device 1 is represented by the first conduit 10 and the cold source is represented by the second conduit 12.
  • the first duct 10 which is generally based on a metallic material, has a tendency to expand .
  • the temperature T2 of the second fluid F2 is sufficiently low, for example less than 100 ° C, the second conduit 12 tends to contract.
  • the thermomechanical deformations of the first duct 10 and the second duct 12 thus generated, cause a pressure application, having a direction from the first duct 10 to the second duct 12, to the thermocouple 20.
  • thermoelectric device 1 exploits the evacuation of the exhaust gases of a combustion engine. In other words, the exhaust gases are used to contribute to the formation of a heat source within the thermoelectric device 1.
  • the method for generating an electric current can thus comprise a step during which the exhaust gases of the combustion engine are evacuated so as to flow in the first duct 10.
  • the evacuation of the exhaust gases can contribute, advantageously, to forming the hot source of the thermoelectric device 1.
  • the exhaust gases can be directed towards one of these plates additional.
  • the exhaust gases are introduced through one of the additional plates 33 or 34 and then flow through the conduit (s) 10 to exit through the other additional plate.
  • the exhaust gases of the combustion engine can also be evacuated so as to circulate around the second duct 12.
  • the exhaust gases can be conveyed by an exhaust duct connected to the inlet of the calender 30 so as to circulate around the duct or ducts 12, to be subsequently discharged via the outlet of the calender 30.
  • the thermoelectric device 1 can be installed in an apparatus comprising a combustion engine, for example a vehicle.
  • this type of apparatus comprises an alternator driven by said motor, to generate electricity.
  • the thermoelectric device 1, generating an electrical energy from a heat conversion of the exhaust gas advantageously reduces the fuel consumption of the engine, replacing the alternator permanently or temporarily.

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Abstract

Le dispositif thermoélectrique (1) comporte un premier conduit (10) logé dans un deuxième conduit (12) de manière étanche. Les premier (10) et deuxième (12) conduits s'étendent le long d'un axe longitudinal (11). En outre, le dispositif (1) dispositif comporte un thermocouple (20) s'étendant le long d'un axe transversal (13). Le thermocouple (20) est interposé entre les premier (10) et deuxième (12) conduits qui sont conformés de manière que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression (σc), selon l'axe transversale (13).

Description

Générateur thermoélectrique
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif thermoélectrique destiné à générer un courant électrique, notamment en exploitant des gaz d'échappement évacués par un moteur à combustion.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif thermoélectrique.
État de la technique
Une architecture classique d'un générateur thermoélectrique utilise des modules thermoélectriques soumis à un gradient de température entre deux de leurs faces opposées. De tels modules thermoélectriques comportent généralement des thermocouples reliés électriquement en série et thermiquement en parallèle. Chaque thermocouple est formé par deux plots reliés l'un à l'autre à l'une de leur extrémité par un élément de connexion électrique. Les plots formant un thermocouple sont à base de matériaux thermoélectriques différents destinés à générer un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température. Les thermocouples sont reliés électriquement en série par des éléments de connexion électrique qui sont généralement des éléments métalliques. Par ailleurs, le gradient de température est crée en disposant deux sources de chaleur au niveau des faces opposées des modules thermoélectriques, une première source dite froide et une deuxième source dite chaude. Chacune des deux sources peut comporter un conduit dans lequel circule un fluide, le fluide associé à la source froide ayant une température inférieure à celle du fluide associé à la source chaude. De tels dispositifs peuvent être utilisés de manière astucieuse dans des échangeurs de chaleur pour produire de l'électricité. Notamment, ce type de dispositif peut être associé à un moteur à combustion, en convertissant la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Cependant, ces générateurs thermoélectriques peuvent souffrir de l'apparition de résistances thermiques entre les modules thermoélectriques et les sources de chaleurs. En effet, selon certaines conditions de fonctionnement, les modules thermoélectriques peuvent être soumis, de manière cyclique, à d'importants gradients thermiques, notamment lorsque la source chaude est générée par une chaleur provenant des gaz d'échappement.
La différence entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux des modules thermoélectriques et des matériaux formant les sources de chaleurs, est à l'origine de fortes contraintes et déformations mécaniques, générées par les nombreux cycles thermiques lors du fonctionnement du générateur thermoélectrique. Ces déformations thermomécaniques peuvent altérer la qualité des contacts thermiques entre les sources de chaleur et les modules thermoélectriques, ce qui peut avoir des conséquences néfastes sur les performances thermiques, électriques du générateur thermoélectrique, mais aussi sur sa fiabilité thermomécanique et sa longévité. L'objet de l'invention
Dans le domaine de la génération de l'énergie électrique, il existe un besoin pour réaliser un générateur thermoélectrique tirant profit de son environnement thermique tout en étant fiable, efficace, et facile à fabriquer.
On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un générateur thermoélectrique comportant :
- une calandre s'étendant le long d'un axe longitudinal et munie de deux plaques comportant chacune un orifice traversant, et disposées respectivement à deux extrémités de la calandre opposées selon l'axe longitudinal ;
- deux plaques additionnelles comportant chacune un orifice de circulation, et disposées de manière que la calandre soit interposée entre les deux plaques additionnelles ;
- un premier conduit disposé dans un deuxième conduit, les premier et deuxième conduits étant disposés dans la calandre et s'étendant le long d'un axe longitudinal et comportant chacun deux extrémités opposées selon l'axe longitudinal ;
- un thermocouple interposé entre les premier et deuxième conduits.
Le premier conduit dudit générateur est assemblé de manière étanche sur les deux plaques additionnelles de sorte que chacune des extrémités du premier conduit communique avec l'orifice de circulation formé dans l'une des plaques additionnelles. De plus, le deuxième conduit est assemblé sur les deux plaques de sorte que chacune des extrémités du deuxième conduit communique avec l'orifice de l'une des plaques et que l'ensemble deuxième conduit et calandre soit étanche.
Selon un premier mode de réalisation, l'une des deux plaques de la calandre est solidarisée de manière étanche avec une des deux plaques additionnelles de manière à délimiter un espace inter-plaque communiquant avec un espace interne étanche, délimité par le deuxième conduit via au moins l'orifice formé dans la plaque de la calandre. Selon ce mode de réalisation, le dispositif comporte également une canalisation de sortie formée dans une des plaques solidarisées, et communiquant avec l'espace inter-plaques.
Préférentiellement, le dispositif comporte des moyens de mise sous vide de l'espace inter-plaques et l'espace interne via la canalisation de sortie. De manière avantageuse, l'espace inter-plaques et l'espace interne comporte un gaz inerte.
Selon un autre mode de réalisation, le thermocouple s'étend le long d'un axe transversal, et les premier et deuxième conduits sont conformés de manière que le thermocouple subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale, entre lesdits premier et deuxième conduits.
Avantageusement, la distance d séparant les premier et deuxième conduits au niveau de la section transversale du thermocouple, est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple, la distance d1 et la dimension d2 étant mesurées à une même température.
Selon un mode de réalisation, le générateur thermoélectrique comporte des moyens de circulation d'un premier fluide à une première température dans le premier conduit, et d'un deuxième fluide recouvrant le deuxième conduit, le deuxième fluide étant à une deuxième température inférieure à la première température.
De manière avantageuse, les moyens de circulation de fluides sont configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le premier conduit et/ou dans le deuxième conduit.
On prévoit également un procédé de réalisation de ce type de générateur thermoélectrique comportant les étapes suivantes : - prévoir les premier et deuxième conduits, le premier conduit étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit et s'étendre selon l'axe longitudinal du deuxième conduit ;
- prévoir le thermocouple s'étendant le long de l'axe transversal ;
- assembler les premier et deuxième conduits de sorte que la température du premier conduit et/ou du thermocouple est inférieure à la température du deuxième conduit lors de l'assemblage des premier et deuxième conduits et du thermocouple pour former le dispositif thermoélectrique de manière que le thermocouple subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale, entre les premier et deuxième conduits.
Selon un mode particulier de mise en œuvre, le procédé de réalisation de ce type de générateur thermoélectrique comporte les étapes suivantes :
- prévoir des premier et deuxième demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal et configurés pour former le deuxième conduit en assemblant les premier et deuxième demi-conduits ;
- disposer les premier et deuxième demi-conduits en regard de manière que le premier conduit soit logé entre les deux demi-conduits, et que le thermocouple soit interposé entre le premier demi-conduit et le premier conduit ;
- presser les premier et deuxième demi-conduits l'un vers l'autre de manière à imposer au thermocouple une contrainte de compression, selon l'axe transversal, entre le premier demi-conduit et le premier conduit ;
- solidariser les premier et deuxième demi-conduits pour former le deuxième conduit, le thermocouple étant maintenu en compression, selon l'axe transversal, entre les premier et deuxième conduits.
De manière avantageuse, les premier et deuxième conduits comportent respectivement des première et deuxième surfaces sensiblement planes et parallèles, disposées en regard de manière que le thermocouple soit interposé entre lesdites première et deuxième surfaces. Préférentiellement, une lamelle d'interface à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple et le premier conduit, et/ou entre le thermocouple et le deuxième conduit. On prévoit en outre un procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif réalisé comportant les étapes suivantes :
- faire circuler un premier fluide ayant une première température, dans le premier conduit ;
- faire circuler un deuxième fluide ayant une deuxième température inférieure à la première température, autour du deuxième conduit.
Selon un mode préférentiel de génération d'un courant électrique, le dispositif est configuré de sorte que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent soit dans le premier conduit, soit autour du deuxième conduit.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 , 3 et 4 illustrent schématiquement, en coupe transversale, un dispositif thermoélectrique selon différents modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 illustre schématiquement, en coupe longitudinale, le dispositif de la figure 1 ;
- les figures 5 à 7 illustrent schématiquement, en coupe transversale, différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 illustre schématiquement, une vue éclatée d'un dispositif thermoélectrique comportant une calandre selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 9 illustre schématiquement, en coupe longitudinale, un dispositif thermoélectrique comportant une calandre selon un mode de réalisation de l'invention.
Description de modes préférentiels de réalisation
Pour permettre à un générateur thermoélectrique un fonctionnement amélioré, il est préférable d'apporter un soin particulier aux connexions thermiques et électriques disposées au sein du générateur. Il est donc avantageux de soigner la qualité des contacts entre les sources de chaleurs et le module thermoélectrique du générateur. Afin de réaliser de tel générateur thermoélectrique, on envisage un agencement et un assemblage avantageux de certains éléments formant le générateur thermoélectrique.
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 1 , un dispositif thermoélectrique 1 comporte des premier 10 et deuxième 12 conduits s'étendant le long d'un axe longitudinal 11. Le premier conduit 10 est disposé dans le deuxième conduit 12. Autrement dit, les premier et deuxième conduits 10 et 12 sont disposés de sorte qu'ils s'étendent le long de l'axe longitudinal 11 , par exemple de manière parallèle et avantageusement de manière coaxiale.
En outre, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un thermocouple 20 s'étendant préférentiellement le long d'un axe transversal 13, perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 11. Le thermocouple 20 est interposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. De manière préférentielle, les conduits 10 et 12 sont conformés de manière que le thermocouple 20 subisse une contrainte de compression oc, selon l'axe transversale 13. La contrainte de compression oc est une contrainte de bridage qui est appliquée de manière permanente au thermocouple 20, entre les premier 10 et deuxième 12 conduits, et elle est préférentiellement comprise entre 0,2 et 10 MPa, avantageusement entre 0,5 et 4 MPa.
De manière préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également un thermocouple additionnel 21 disposé également entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Le thermocouple 20 et le thermocouple additionnel 21 sont, par exemple, disposés de part et d'autre selon l'axe transversal 13, du premier conduit 10. Selon cette configuration préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un empilement, selon l'axe transversal 13, comprenant le thermocouple 20 disposé sur le premier conduit 10, lui même disposé sur le thermocouple additionnel 21 . Cet empilement est disposé à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que les thermocouples 20 et 21 soient interposés entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Autrement dit, le premier conduit 10 est maintenu à distance du deuxième conduit 12 au moyen des thermocouples 20 et 21.
Par la suite, on définit un thermocouple comme étant un élément comportant deux plots reliés électriquement entre eux, de préférence à l'une de leurs extrémités, par un élément de connexion électriquement conducteur, et, de préférence, thermiquement conducteur. Les plots d'un même thermocouple sont formés dans deux matériaux de natures thermoélectriques différentes. Par matériaux de natures thermoélectriques différentes, on entend des matériaux de compositions chimiques différentes, aptes à transformer lorsqu'ils sont électriquement connectés, une énergie thermique en une énergie électrique et/ou vice versa. Par exemple, il est possible d'utiliser un même matériau semi-conducteur ayant des types de dopage différents. Comme illustré à la figure 2, le dispositif thermoélectrique 1 comporte, de manière avantageuse, plusieurs thermocouples reliés électriquement entre eux en série par des éléments de connexion 203, pour former un premier module thermoélectrique 25 interposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Le module 25 comporte préférentiellement, des thermocouples identiques 20, subissant également des contraintes de compression ac entre les premier 10 et deuxième 12 conduits.
Des connecteurs électriques 204 et 205 de terminaison sont situés aux extrémités de la série de thermocouples 20 du module 25 pour assurer les connexions électriques du module thermoélectrique 25. Les connecteurs 204 et 205 peuvent être utilisés notamment pour récupérer le courant électrique généré par le module 25, ou encore pour relier le module 25 avec d'autres modules thermoélectriques.
Préférentiellement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également un module thermoélectrique additionnel 26, comportant le thermocouple additionnel 21 , disposé également entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Dans une configuration préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un empilement, selon l'axe transversal 3, comprenant le module thermoélectrique 25 disposé sur le premier conduit 10, lui même disposé sur le module additionnel 26. Cet empilement est disposé à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que les modules 25 et 26 soient interposés entre les premier 10 et deuxième 12 conduits.
De la même manière que pour le module 25, le module 26 comporte préférentiellement une pluralité de thermocouples 21 reliés entre eux en série par des éléments de connexion 213, et des connecteurs électriques de terminaison 214 et 215. Le nombre de thermocouples formant les modules 25 et 26 peut être évalué en fonction du compromis optimal entre la géométrie des thermocouples, leurs répartitions et la puissance électrique produite à partir de la puissance thermique les traversant. Le dispositif thermoélectrique 1 est configuré pour générer une puissance électrique à partir d'un transfert thermique entre le thermocouple 20 et deux sources de chaleur générant un gradient thermique. Le thermocouple 20 (21) comporte deux plots 201 (211) à base de matériaux thermoélectriques différents reliés entre eux par un élément électriquement conducteur 202 (212). Les deux plots 201 (211) peuvent être à base d'un matériau semi-conducteur, tel que le silicium ou l'alliage silicium-germanium, dopé respectivement P et N. Les plots 201 (211) peuvent également être à base de semi-métaux (Bi, Sb, etc.). En fait, l'homme du métier est capable de choisir le type de matériau des plots du thermocouple 20 (21) en fonction de l'environnement d'utilisation du dispositif thermoélectrique.
Les plots 201 (211) peuvent avoir une forme géométrique quelconque, par exemple une forme parallélépipédique ou bien cylindrique. Chaque plot 201 (211) s'étend le long de l'axe transversal 13 de manière qu'il soit disposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. De plus, chaque plot 201 (211) dispose de première et deuxième extrémités opposées selon l'axe transversal 13. La première extrémité est disposée entre le premier conduit 10 et la deuxième extrémité, qui est elle même disposée entre le deuxième conduit 12 et la première extrémité. Chaque plot 201 (211) du thermocouple 20 (21) comporte à sa première extrémité des éléments de connexion 203 (2 3), ou des connecteurs électriques de terminaison 204 (214) et 205 (215) formant une première extrémité du thermocouple 20 (21).
En outre, les plots 201 (211) du thermocouple 20 (21) sont reliés entre eux, de préférence, à la deuxième extrémité par l'élément électriquement conducteur 202 (212) formé généralement par un élément métallique. L'élément 202 (212) forme alors, la deuxième extrémité du thermocouple 20 (21), opposée à la première extrémité, selon l'axe transversal 13. Les sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1 sont munies de premier 10 et deuxième 12 conduits, et sont configurées pour créer un gradient thermique entre les extrémités opposées du thermocouple 20. Le premier conduit 10, est avantageusement un conduit étanche, configuré pour permettre la circulation d'un premier fluide.
Le premier conduit 10 comporte préférentiellement des ailettes internes pour améliorer l'échange thermique entre le premier fluide et les parois internes du premier conduit 10. Le deuxième conduit 12 est, avantageusement un conduit étanche, configuré pour être noyé dans un deuxième fluide, de manière que le premier conduit 10 soit dépourvu de tout contact avec le deuxième fluide, ou à limiter le contact entre les deux fluides. Les premier 10 et deuxième 12 conduits sont, notamment, en acier inoxydable, et ils peuvent être formés par tout moyen connu, par exemple par profilage, soudage et/ou brasage.
Afin de faciliter le transfert thermique entre les sources de chaleur et le thermocouple 20, les première et deuxième extrémités du thermocouple 20 sont préférentiellement en contact direct, respectivement avec les premier 10 et deuxième 12 conduits. Par ailleurs, pour permettre au dispositif thermoélectrique 1 de générer une énergie électrique, les contacts entre les conduits 10 et 12, et le thermocouple 20 doivent éviter la création de court- circuit au sein du thermocouple 20 ou du module thermoélectrique 25 tout en facilitant les transferts thermiques. Ainsi, les parties des conduits 10 et 12 et/ou du thermocouple 20 qui constituent ces contacts sont à base d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur.
De manière préférentielle, les contacts entre le thermocouple 20 et les sources de chaleur, comportent une couche à base d'un matériau électriquement isolant. Cette couche peut être à base d'oxyde de silicium, ou à base d'un matériau de type céramique. A titre d'exemple à base d'alumines
(AI2O3) ayant subi, une anodisation dure, Ceramaze®, Keronite®, ou encore à base d'alumines avec ou sans dioxyde de titane. La couche peut être également à base d'un matériau de type vitrocéramique tel que l'oxyde de chrome. Par ailleurs, les parties en contact peuvent subir, selon la compatibilité des matériaux utilisés, une étape d'anodisation, ou comporter un revêtement DLC (DLC pour l'abréviation anglaise de « Diamond-Like Carbon »).
Avantageusement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte une lamelle d'interface 16, communément appelé substrat, interposée entre le deuxième conduit 12 et l'élément électriquement conducteur 202, i.e. la deuxième extrémité du thermocouple 20. La lamelle 16 peut être à base d'AIN, et elle est en contact direct avec le thermocouple 20, et/ou le deuxième conduit 12.
Préférentiellement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également le même type de lamelle d'interface 16 interposée entre le premier conduit 10 et la première extrémité du thermocouple 20. Ce type de lamelle d'interface 16, permet avantageusement, la protection du thermocouple 20 contre l'apparition d'un court-circuit. En outre, la lamelle d'interface 16 peut également remplir une fonction de tampon mécanique pour homogénéiser les contraintes de bridage appliquées au thermocouple 20 par les conduits 10 et 12 lors de l'assemblage, et éventuellement lors du fonctionnement du dispositif thermoélectrique 1. En outre, ce type de lamelle d'interface 16 permet, de manière avantageuse, une homogénéisation thermique entre les extrémités du thermocouple 20 et les premier 10 et deuxième 12 conduits.
Le dispositif thermoélectrique 1 décrit ci-dessus permet de disposer le thermocouple 20 entre deux parois d'échange thermique formées par les conduits 10 et 12. Le thermocouple 20 subit une contrainte de compression Oc appliquée par les premier 10 et deuxième 12 conduits, permettant de manière avantageuse d'assurer une contrainte de bridage permanente, selon l'axe transversal 13. Cette contrainte de bridage permet d'éviter ou au moins de minimiser l'effet des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12, et/ou du thermocouple 20 sur l'altération des zones de contact entre ces éléments. La contrainte de compression ac permet ainsi de conserver des contacts de bonne qualité entre les sources de chaleur, et le thermocouple 20, ce qui évite la création de résistances thermiques, dans les zones du transfert thermique. Les résistances thermiques sont alors minimisées et le transfert thermique amélioré. De ce fait, la contrainte de compression oc permet, avantageusement, d'améliorer la conversion de l'énergie thermique traversant le thermocouple en une énergie électrique.
En outre, la contrainte de compression σ0 permet avantageusement de limiter les contraintes de cisaillement qui nuisent aux plots thermoélectriques 201 du thermocouple 20.
Comme illustré à la figure 3, la distance d1 séparant les premier 10 et deuxième 12 conduits au niveau de la section transversale du thermocouple 20, est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple 20. La distance d1 et la dimension d2 sont mesurées à une même température Tmes. En fait, les premier 10 et deuxième conduit 12 définissent un espace E20 configuré pour abriter le thermocouple 20, et la distance d1 correspond à la dimension transversale de cet espace E20. Selon des conditions thermiques et mécaniques identiques, la dimension transversale d2 du thermocouple 20 est plus grande que la dimension transversale d1 de l'espace E20.
La réalisation du dispositif thermoélectrique 1 peut être effectuée selon plusieurs modes, notamment, en exploitant la différence des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12, et du thermocouple 20. Ainsi, et à titre d'exemple, les températures du thermocouple 20, et des conduits 10 et 12 peuvent être ajustées lors de la réalisation du dispositif 1 , de manière que le thermocouple 20 puisse être disposé dans l'espace E20. Lors du retour à un équilibre thermique, autrement dit, les conduits 10 et 12, et le thermocouple 20 sont par exemple à une même température, le thermocouple 20 subit alors une contrainte de compression, selon l'axe transversale 13, appliquée entre les premier 10 et deuxième 2 conduits. Les matériaux des conduits 10 et 12 sont choisis de sorte qu'ils soient suffisamment rigides pour faire subir au thermocouple 20 ladite contrainte de compression à l'équilibre thermique.
Dans l'exemple particulier de réalisation qui va suivre, le dispositif thermoélectrique 1 comporte des moyens (non représentés aux figures) de circulation de fluides au sein du dispositif 1. Ces moyens sont configurés pour faire circuler un premier fluide à une première température T1 dans le premier conduit 10. Les moyens de circulation sont également configurés pour faire circuler un deuxième fluide recouvrant le deuxième conduit 12, le deuxième fluide étant à une deuxième température T2 préférentiellement inférieure à la première température T1. Par ailleurs, les moyens de circulation de fluides peuvent être configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le conduit 10 et/ou le conduit 12, permettant ainsi d'augmenter la contrainte de compression oc appliquée au thermocouple 20.
Avantageusement, la première température T1 est choisie de manière que le premier conduit se dilate, et/ou la deuxième température T2 est choisie de manière que le deuxième conduit 12 se contracte. Les déformations thermomécaniques des conduits 0 et 12 produites par le choix des première T1 et deuxième T2 températures, réduisent davantage la dimension transversale de l'espace E20, accentuant ainsi la contrainte de compression oc subie par le thermocouple 20. De ce fait, un contact thermique de qualité entre le thermocouple 20 et les conduits 10 et 12, peut être garanti. Les moyens de circulation des premier et deuxième fluides peuvent comporter, par exemple, une pompe configurée pour faire circuler un liquide de refroidissement dans une calandre comprenant le deuxième conduit 12. En outre, les moyens de circulation peuvent comporter un jeu de conduits configuré pour acheminer et faire circuler des gaz d'échappement, évacués par un moteur à combustion, dans le premier conduit 10. Les températures des gaz d'échappement, et du liquide de refroidissement sont différentes et peuvent générer un important gradient thermique aux extrémités du thermocouple 20, selon l'axe transversal 13.
D'un point de vue fiabilité électrique, les connexions métalliques des générateurs thermoélectriques classiques peuvent souffrir d'un problème d'oxydation, surtout lorsqu'elles sont soumises à des températures élevées, ce qui est souvent le cas pour ce type de dispositif thermoélectrique. Par ailleurs, cette oxydation est accentuée lorsque ces connexions métalliques sont disposées dans une atmosphère comportant des résidus corrosifs telle qu'une atmosphère comportant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les premier 10 et deuxième 12 conduits délimitent un espace interne E12 étanche. Avantageusement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte des moyens de mise sous vide de l'espace interne E12. Par ailleurs, le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter, de manière avantageuse, des moyens pour chambrer l'espace interne E12, avec un gaz inerte tel que l'argon, l'hélium ou l'azote.
La mise sous vide ou sous un gaz inerte de l'espace interne E12, permet avantageusement de protéger contre l'oxydation, les éléments formant le thermocouple 20, notamment, l'élément électriquement conducteur 202, les éléments de connexion 203 ou les connecteurs de terminaison 204 et 205, qui sont généralement à base de matériaux métalliques facilement oxydables. Par ailleurs, lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est configuré pour fonctionner dans un environnement comportant des gaz d'échappement, un environnement corrosif, le risque d'oxydation des éléments du dispositif thermoélectrique 1 est plus élevé. Ce mode de réalisation préférentiel, permet également de protéger les parois externes du premier conduit 10, et les parois internes du deuxième conduit 12 contre l'oxydation, améliorant ainsi la fiabilité du dispositif 1 d'un point de vue thermique et électrique.
Le procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique tel que défini ci- dessus comporte les étapes suivantes:
- prévoir les premier 10 et deuxième 12 conduits, le premier conduit 10 étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit 12 et s'étendre le long de l'axe longitudinal 11 du deuxième conduit 12 ;
- prévoir le thermocouple 20 s'étendant le long de l'axe transversal 13.
En outre, le procédé de fabrication comporte une étape où, les premier et deuxième conduits 10 et 12 sont assemblés de manière que le thermocouple 20 subisse une contrainte de compression oc, selon l'axe transversale 13, entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Lors de l'assemblage, le thermocouple 20 est interposé entre les conduits 10 et 12 et il est soumis à la contrainte de compression ac appliquée par les conduits 10 et 12.
Préférentiellement, la contrainte de compression ac est une contrainte de bridage permanente, selon l'axe transversal 13. Par contrainte de bridage, on entend une contrainte permettant de figer et d'immobiliser le thermocouple 20 par rapport aux conduits 10 et 12, notamment selon l'axe transversal 13. Ainsi, les contraintes de cisaillement au sein du thermocouple 20, sont limitées. Atténuer l'effet de ce type de contraintes, permet avantageusement de limiter la détérioration et le risque de casse des plots thermoélectriques du thermocouple 20. L'application d'une contrainte de compression oc lors de l'assemblage des éléments du dispositif thermoélectrique 1 , peut être réalisée par tout moyen connu dans le domaine de l'assemblage des pièces mécaniques. À titre d'exemple, le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter des moyens de serrage configurés pour réduire la dimension, selon l'axe transversal 13, du deuxième conduit 12. Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter, ainsi, des éléments de serrage tels qu'une bague de serrage (non représentée aux figures) du deuxième conduit 12. Lors de l'assemblage, la bague de serrage peut être montée de manière à envelopper le deuxième conduit 12, dont une partie de la paroi se trouve ainsi interposée entre une paroi de la bague de serrage et le thermocouplè 20. Ensuite, la bague est serrée de manière à appliquer la contrainte de compression oc au thermocouple 20 entre les premier 10 et deuxième conduit 12.
En fait, les moyens de serrage permettent de presser les parois opposées, selon l'axe transversal 13, du deuxième conduit 12 l'une vers l'autre. Par ailleurs, le premier conduit 10 et le thermocouple 20 sont disposés à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que le thermocouple 20 soit interposé, selon l'axe transversal 13, entre le premier conduit 10 et le deuxième conduit 12. Les conduits 10 et 12 et le thermocouple 20 sont disposés pour que les moyens de serrage permettent de presser le premier conduit 10 vers le deuxième conduit 12 de manière que le thermocouple 20 subisse la contrainte de compression oc.
Dans le dispositif thermoélectrique 1 , les conduits 10 et 12 sont configurés pour former les sources de chaleur associées au thermocouple 20. Pour obtenir un comportement thermique efficace, les sources de chaleur sont, préférentiellement, thermiquement isolées l'une de l'autre, ou bien éloignées le plus possible l'une de l'autre. Comme illustré à la figure 4, le premier conduit 10 dispose d'une première paroi séparée du deuxième conduit 12 par le thermocouple 20, et d'une deuxième paroi opposée à la première paroi, selon l'axe transversal 13. Pour des considérations thermiques et mécaniques, une cale 40 préférentiellement à base d'un matériau non compressible et thermiquement isolant, est interposée entre la deuxième paroi du premier conduit 10 et le deuxième conduit 12.
Avantageusement, le procédé de réalisation prévoit un thermocouple additionnel 21 , de préférence, symétrique au thermocouple 20 par rapport au premier conduit 10. Le thermocouple additionnel 21 , est disposé entre la deuxième paroi du premier conduit 10, et le deuxième conduit 12. Les moyens de serrage, permettent ainsi d'appliquer une contrainte de compression à la fois au thermocouple 20, et au thermocouple additionnel 21. En outre, cette disposition avantageuse, permet à la fois de séparer les sources de chaleur (les conduits 10 et 12) l'une de l'autre, et de fournir une deuxième source de génération électrique (le thermocouple additionnel 21) pour une meilleure exploitation du gradient thermique fournit par les sources de chaleur.
Selon un mode particulier de réalisation, une lamelle d'interface 16 à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple 20 et le premier conduit 10, et/ou entre le thermocouple 20 et le deuxième conduit 12. La lamelle d'interface 16 peut être à base d'AIN, et elle est disposée de manière à être en contact direct avec le thermocouple 20, et/ou les conduits 10 et 12. La lamelle 16 permet, de manière avantageuse, d'éviter l'apparition d'un court-circuit au sein du thermocouple 20 et d'homogénéiser les contraintes de compression appliquées au thermocouple 20 par les premier 10 et deuxième 20 conduits.
Selon un mode particulier de mise en œuvre, le procédé de réalisation comporte une étape d'assemblage dans laquelle la température d'assemblage Ta1 du premier conduit 10 et/ou du thermocouple 20 est inférieure à la température d'assemblage Ta2 du deuxième conduit 12. Lors de cette étape d'assemblage, le thermocouple 20 est disposé de manière à être en contact avec les deux sources de chaleur. Par contact avec une source de chaleur, on entend que le thermocouple 20 est en contact direct, soit avec le conduit associé à ladite source de chaleur (10 ou 12), soit avec la lamelle d'interface 16 qui est elle même en contact direct avec ledit conduit (10 ou 12).
Préférentiellement, la température d'assemblage Ta1 du premier conduit 10 et/ou du thermocouple 20, est choisie de manière à être inférieure, et avantageusement largement inférieure, à la température de la source de chaleur comportant le premier conduit 10 lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est opérationnel et génère une énergie électrique. De la même manière, la température d'assemblage Ta2 du deuxième conduit 12 est choisie de manière à être supérieure, et avantageusement largement supérieure, à la température de la source de chaleur comportant le deuxième conduit 12 lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est opérationnel et génère une énergie électrique.
L'étape d'assemblage décrite ci-dessus, génère avantageusement des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12 qui permettent une augmentation ou une application de la contrainte de compression oc subie par le thermocouple 20. En effet, après l'étape d'assemblage, et lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est soumis au gradient de température créé par les sources de chaleur, le premier conduit 10 se dilate, alors que le deuxième conduit 12 se contracte, comprimant davantage le thermocouple 20 interposé entre les deux conduits 10 et 12.
Selon un mode de mise en œuvre préférentiel illustré aux figures 5 à 7, le procédé de fabrication du dispositif thermoélectrique 1 utilise l'assemblage de deux demi-conduits pour former le deuxième conduit 12. En fait, on prévoit des premier 14 et deuxième 5 demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal 11. Les deux demi-conduits 14 et 15 sont configurés pour former, de manière étanche, le deuxième conduit 12 lorsqu'ils sont assemblés. Les deux demi-conduits 14 et 15 peuvent, par exemple, avoir des formes concaves complémentaires configurées de manière à composer la forme du deuxième conduit 12.
Les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits sont ensuite disposés en regard, en disposant le premier conduit 10 et le thermocouple 20 entre les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits. En outre, la mise en regard des demi-conduits 14 et 15 est réalisée de sorte que le thermocouple 20 soit interposé entre le premier demi-conduit 14 et le premier conduit 10.
Ensuite, les premier 14, et deuxième 15 demi-conduits sont pressés l'un vers l'autre en appliquant une pression P aux deux demi-conduits 14 et 15. Cette étape permet de transférer la pression P exercée entre les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits au thermocouple 20. Ainsi, cette étape est réalisée pour imposer au thermocouple 20 une contrainte de compression, selon l'axe transversale 13, entre le premier demi-conduit 14 et le premier conduit 10. Afin de conserver la contrainte de compression imposée au thermocouple 20, les premier et deuxième demi-conduits 14 et 15 sont, par la suite, solidarisés pour former le deuxième conduit 12. Le premier conduit 10 délimite un espace interne E-m, et le conduit assemblé 12 délimite un espace interne E12 totalement indépendant et étanche par rapport à l'espace interne E-io du premier conduit 10.
La solidarisation des deux demi-conduits 14 et 15 est réalisée de manière étanche notamment par des soudures longitudinales à clin Sc, ou tout autre moyen connu. Par soudure longitudinale à clin on entend, un joint longitudinal à recouvrement permettant de réunir les deux demi-conduits 14 et 5 tout en assurant la continuité de la matière, et de ce fait l'étanchéité du deuxième conduit 12 formé. Cette solidarisation est réalisée de sorte que le thermocouple 20 soit maintenu en compression, selon l'axe transversale 13, entre le premier conduit 10 et le premier demi-conduit 14, i.e. le deuxième conduit 12. Selon un mode préférentiel de mise en œuvre, les premier et deuxième conduits 10, 12 comportent respectivement des première 101 et deuxième 121 surfaces disposées en regard de manière que le thermocouple 20 soit interposé entre lesdites première 101 et deuxième 121 surfaces. Les première 101 et deuxième 121 surfaces peuvent avoir une forme convexe. Le thermocouple 20 est alors interposé entre les surfaces convexes 101 et 121 qui procurent un effet ressort, lors du transfert de la pression P au thermocouple 20. Cela permet de manière avantageuse d'homogénéiser la contrainte appliquée au thermocouple 20. Avantageusement, les première 101 et deuxième 121 surfaces sont sensiblement planes et parallèles. La forme particulière des premier et deuxième conduits 10 et 12, permet avantageusement de faciliter l'assemblage du thermocouple 20 et sa disposition entre ces deux conduits. Elle permet aussi d'obtenir une meilleure répartition de la contrainte de bridage et une réduction de la résistance thermique de contact.
En outre, la disposition du thermocouple 20 entre les surfaces planes permet, de manière avantageuse, de transférer facilement et efficacement la pression P appliquée aux deux demi-conduits 14 et 15 sur le thermocouple 20 disposé entre les deux conduits 10 et 12. Ainsi, le thermocouple 20 subit une contrainte de compression oc appliquée par les premier et deuxième conduits 10 et 12.
À titre d'exemple, les demi-conduits 14 et 15 peuvent avantageusement avoir une section transversale en U (figure 5). Ainsi, chaque demi-conduit 14 et 15 comporte deux surfaces latérales reliées par une surface centrale. Lors de l'assemblage, le thermocouple 20 peut être disposé sur la surface centrale 121 du premier demi-conduit 14 (figure 6). Par ailleurs, le premier conduit 10 a, préférentiellement, une forme parallélépipédique de sorte qu'il ait une surface plane 101. Le premier conduit 10 est ensuite disposé sur le thermocouple 20 de manière que la surface plane 101 soit parallèle à la surface centrale 121 du premier demi-conduit 14. Autrement dit, le thermocouple 20 est interposé entre la surface centrale 121 et la surface plane 101 (figure 6). Pour former le deuxième conduit 12, le deuxième demi-conduit 15 est, dans un premier temps, disposé en regard du premier demi-conduit 14, plus particulièrement en regard de l'empilement comportant successivement, le premier-demi conduit 14, le thermocouple 20 et le premier conduit 10 (figure 7). Le deuxième conduit 12 forme ainsi l'espace interne E12, totalement indépendant de l'espace interne E10 du premier conduit 10.
Par ailleurs, pour des considérations thermiques et/ou mécanique, une cale 40 peut être interposée entre le premier conduit 10 et le deuxième conduit 12 (figure 4). La cale 40 et le thermocouple 20 étant disposés de part et d'autre, selon l'axe transversal 13, du premier conduit 10. La cale 40 est préférentiellement à base d'un matériau non compressible et thermiquement isolant. La cale permet ainsi de transférer efficacement la pression appliquée aux deux demi-conduits 14 et 15 au thermocouple 20. En outre, la cale 40 permet également d'isoler thermiquement les sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1.
Avantageusement, la cale est formée par un thermocouple additionnel 21 (figure 7). D'un point de vue électrique, cet agencement permet de manière avantageuse, de fournir une deuxième source de génération électrique pour une meilleure exploitation du gradient thermique créé par les premier 10 et deuxième 12 conduits. D'un point de vue thermique, cet agencement permet en outre, d'éloigner les conduits 10 et 12 l'un de l'autre, pour minimiser l'influence thermique mutuelle des deux sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1.
Selon une mise en œuvre préférentielle, on prévoit l'utilisation d'une calandre comportant un faisceau de conduits du même type que le deuxième conduit 12. Par calandre, on entend une cavité ayant préférentiellement une forme cylindrique, délimitée par un corps creux. Une calandre permet une circulation d'un fluide donné autour d'un conduit, ou d'un faisceau de conduits, logé dans la calandre, formant ainsi une des deux sources de chaleur du dispositif thermoélectrique.
Comme illustré aux figures 8 et 9, le procédé prévoit l'utilisation d'une calandre 30, s' étendant le long d'un axe longitudinal 11'. Préférentiellement l'axe longitudinal 11' de la calandre est parallèle à l'axe longitudinal 11 des conduits 10 et 12. La calandre 30 est munie de deux plaques 31 et 32 disposées respectivement aux deux extrémités de la calandre 30, opposées selon l'axe longitudinal 11'.
La calandre 30 et le deuxième conduit 12, ou le faisceau des conduits 12, délimitent un volume de calandre V30, totalement indépendant de l'espace interne E12 de chaque conduit 12. Par ailleurs, la calandre 30 peut comporter une entrée et une sortie, configurées pour faire circuler un fluide, préférentiellement caloporteur, dans la cavité de la calandre 30 autour du deuxième conduit 12. Le fluide circulant dans la calandre 30 est en contact avec les parois externes du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12.
De manière préférentielle, la calandre 30 a une forme cylindrique dont les deux plaques 31 et 32 constituent les bases. En outre, les plaques 31 et 32 comportent chacune au moins un orifice traversant. Sur la figure 8, la plaque 31 comporte l'orifice 3 1 et la plaque 32 comporte l'orifice 321. Les orifices 311 et 321 sont percés dans les plaques 31 et 32 de manière à pouvoir recevoir le deuxième conduit 12. En fait, le deuxième conduit 12 comporte deux extrémités longitudinales 122 et 123, autrement dit, des extrémités opposées selon l'axe longitudinal 11 des conduits 10 et 12. Chacune des extrémités communique avec l'orifice (311 ou 321) formé dans une desdites plaques (31 ou 32). Par ailleurs, l'ensemble deuxième conduit 12 et calandre 30 est solidarisé de manière étanche.
Préférentiellement, le conduit 12 est disposé de manière à être sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 11' de la calandre. Par ailleurs, le conduit 12 peut également être disposé dans la calandre 30, entre les plaques 31 et 32, selon une direction quelconque, par exemple inclinée ou courbée.
A titre d'exemple, chacune des extrémités (122 ou 123) est configurée pour être engagée dans l'orifice (311 ou 321) d'une des deux plaques 31 et 32. Les extrémités du deuxième conduit 12 sont ensuite solidarisées de manière étanche aux plaques 31 et 32 de la calandre 30, notamment par brassage, soudage, ou tout autre moyen connu. Ainsi, le deuxième conduit 12 est disposé entre les plaques 31 et 32 de la calandre 30. L'espace interne Ei2 étanche du deuxième conduit 12, est accessible uniquement via les deux orifices 311 et 321 formés respectivement dans les plaques 31 et 32, qui sont communément appelées « plaques tubulaires » de la calandre 30. De plus, cet espace interne E12 est totalement indépendant du volume V30 de la calandre 30. De la même manière que pour un seul deuxième conduit 12, un faisceau de conduits 12, préférentiellement identiques, peut être avantageusement assemblé entre ces deux plaques 31 et 32. De manière avantageuse, le procédé utilise également un faisceau de conduits du même type que le premier conduit 10. Selon un mode particulier de mise en œuvre, on prévoit l'utilisation de deux plaques additionnelles. Comme illustré à la figure 8, on prévoit deux plaques additionnelles 33 et 34 comportant chacune, au moins un orifice de circulation traversant 331 et 341. Les orifices de circulation 331 et 341 sont percés dans les plaques additionnelles 33 et 34 de manière à recevoir le premier conduit 10. Par ailleurs, la calandre 30 est interposée entre les deux plaques additionnelles 33 et 34. Le premier conduit 10, comportant deux extrémités longitudinales opposées 102 et 103, est disposé entre les deux plaques additionnelles 33 et 34. Chacune des extrémités 102 et 103 du premier conduit 10 communique avec l'orifice de circulation 331 et 341 formé dans une desdites plaques additionnelles 33 et 34.
A titre d'exemple, chacune les extrémités 102 et 103 du premier conduit 10 sont engagées dans les orifices 331 et 341 respectivement des deux plaques additionnelles 33 et 34. Ces extrémités sont ensuite solidarisées de manière étanche aux plaques additionnelles 33 et 34 par tout moyen connu. Le premier conduit 10, logé dans le deuxième conduit 12, traverse ainsi la calandre 30 sans qu'il ait aucune interaction entre l'espace interne E-|0 du premier conduit 10 et l'environnement du volume V30 de la calandre 30.
L'espace interne E-io étanche du premier conduit 10, est accessible uniquement via les deux orifices 331 et 341 formés respectivement dans les plaques additionnelles 33 et 34. L'espace interne Ei0 du premier conduit 10 est totalement indépendant du volume V30 de la calandre 30 et de l'espace interne E12 du deuxième conduit 12. De la même manière que pour un seul premier conduit 10, un faisceau de conduits 10, préférentiellement identiques, peut être avantageusement assemblé entre ces deux plaques additionnelles 33 et 34. Ce mode particulier d'assemblage, permet avantageusement d'accéder aux espaces internes E10 de tous les conduits 10 simultanément, via les deux plaques additionnelles 33 et 34. Ainsi, les deux plaques additionnelles 33 et 34 peuvent former, respectivement une entrée et une sortie d'un fluide pouvant circuler en même temps dans les différents conduits 10.
Ce mode particulier de mise en œuvre, permet de former une source de chaleur comportant le premier conduit 10, ou un faisceau de conduits, configuré pour faire circuler un fluide, préférentiellement caloporteur. Cette source de chaleur est avantageusement indépendante de la calandre 30 et donc de la source de chaleur comportant le deuxième conduit 12. Ainsi, le procédé de réalisation permet avantageusement de réaliser un dispositif thermoélectrique 1 agencé de manière à comporter plusieurs couples de premier et deuxième conduits (10 et 12), autrement dit plusieurs thermocouples (20., 21) ou de modules thermoélectriques (25, 26) disposés entre deux différentes sources de chaleur. Cet agencement avantageux, permet ainsi d'augmenter la capacité de génération électrique du dispositif thermoélectrique 1.
Avantageusement, au niveau d'une extrémité de la calandre 30, selon l'axe longitudinal 11 ', une plaque de la calandre 31 ou 32 est solidarisée de manière étanche avec une plaque additionnelle 33 ou 34. Cet assemblage est effectué de manière que les plaques solidarisées forment un espace vide Eip qu'on nommera espace inter-plaques.
Préférentiellement, les plaques sont solidarisées entre elles au niveau de leurs périphéries, de sorte que l'orifice ou les orifices formés dans la plaque de la calandre (31 ou 32) communiquent avec l'espace inter-plaques Eip, et qu'ils ne soient pas obturés par la plaque additionnelle (33 ou 34). À titre d'exemple, l'espace inter-plaques Eip peut être réalisé par un lamage dans l'épaisseur de l'une des deux plaques assemblées. La solidarisation des deux plaques peut être obtenue par tout moyen connu, par exemple par une soudure ou par l'utilisation d'un joint comprimé 50 par bridage entre les plaques solidarisées. Ainsi, cette étape d'assemblage permet de former un espace inter-plaques Eip communiquant avec l'espace interne E12 du deuxième conduit, ou du faisceau de conduits 12 via l'orifice ou les orifices de la plaque (31 ou 32) de la calandre 30. L'espace inter-plaques Eip est totalement indépendant de l'espace de la calandre V30. En outre, l'espace inter-plaques Eip est totalement indépendant de l'espace interne E10 du premier conduit 10 ou du faisceau de conduits 10 collecté par la plaque additionnelle (33 ou 34).
Avantageusement, une canalisation de sortie 37 est réalisée dans une des plaques entre lesquelles l'espace inter-plaques Eip est disposé. La canalisation de sortie 37 est configurée de manière à communiquer avec l'espace inter-plaques Eip. La canalisation de sortie 37 comporte préférentiellement une vanne configurée pour régler l'ouverture de la canalisation 37, et éventuellement le débit d'un fluide à l'intérieur de l'espace interne E12 du conduit 12 ou du faisceau de conduits 12 via l'espace interplaques Eip.
Afin d'éviter les problèmes de corrosion des éléments du dispositif thermoélectrique 1 , notamment les conduits 10 et 12 ainsi que les éléments du thermocouple 20, le volume interne E12 du deuxième conduit 12 est avantageusement mis sous vide. Autrement dit, l'espace interne E12 du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12 est tiré au vide via la canalisation de sortie 37 et l'espace inter-plaques Eip. Par ailleurs, le volume interne E12 du deuxième conduit 12 peut également être mis sous un gaz inerte : l'espace inter-plaques Eip et l'espace interne E12 sont sous atmosphère inerte. Autrement dit, l'espace étanche E12 du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12 est rempli par un gaz inerte, via la canalisation de sortie 37 et l'espace inter-plaques Eip. Â titre d'exemple, le gaz inerte peut être à base d'argon, d'hélium ou d'azote. L'utilisation du dispositif thermoélectrique 1 ainsi réalisé, comporte préférentiellement, la circulation de fluides caloporteurs respectivement, dans le premier conduit 10 et autour du deuxième conduit 12. Selon un mode préférentiel de génération d'un courant électrique par le dispositif thermoélectrique 1 illustré à la figure 9, on fait circuler un premier fluide F1 ayant une première température T1 dans le premier conduit 10. De plus, autour du deuxième conduit 12, on fait circuler un deuxième fluide F2 ayant une deuxième température T2, préférentiellement, inférieure à la première température T1.
Autrement dit, dans ces conditions, la source chaude du dispositif thermoélectrique 1 est représentée par le premier conduit 10 et la source froide est représentée par le deuxième conduit 12. Cet agencement particulier des sources de chaleur permet avantageusement d'accentuer, sinon de conserver les contraintes de compression appliquées au thermocouple 20 par les premier 10 et deuxième12 conduits.
En fait, lorsque la température T1 du fluide F1 est suffisamment élevée, par exemple supérieure à 100 °C, généralement supérieure à 250°C, le premier conduit 10, qui est généralement à base d'un matériau métallique, a tendance à se dilater. De manière analogue, lorsque la température T2 du deuxième fluide F2 est suffisamment basse, par exemple inférieure à 100 °C, le deuxième conduit 12 a tendance à se contracter. Les déformations thermomécaniques du premier conduit 10 et du deuxième conduit 12 ainsi générées, entraînent une application d'une pression, ayant une direction allant du premier conduit 10 vers le deuxième conduit 12, au thermocouple 20. De ce fait, la circulation du premier fluide F1 ayant la première température T1 et/ou du deuxième fluide F2 ayant la deuxième température T2 contribue avantageusement à l'augmentation de la contrainte de compression initialement appliquée au thermocouple 20. De manière avantageuse, le dispositif thermoélectrique 1 exploite l'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Autrement dit, les gaz d'échappement sont utilisés pour contribuer à la formation d'une source de chaleur au sein du dispositif thermoélectrique 1.
Le procédé de génération d'un courant électrique peut ainsi comporter une étape au cours de laquelle les gaz d'échappement du moteur à combustion sont évacués de manière à circuler dans le premier conduit 10. Ainsi, l'évacuation des gaz d'échappement peut contribuer, de manière avantageuse, à former la source chaude du dispositif thermoélectrique 1. Lorsqu'un conduit, ou plusieurs conduits 10 sont collectés par les plaques additionnelles 33 et 34, les gaz d'échappement peuvent être orientés vers l'une de ces plaques additionnelles. Les gaz d'échappement sont introduits à travers l'une des plaques additionnelles 33 ou 34, puis ils circulent dans le ou les conduits 10 pour sortir à travers l'autre plaque additionnelle.
Par ailleurs, les gaz d'échappement du moteur à combustion peuvent également être évacués de manière à circuler autour du deuxième conduit 12. Lorsque plusieurs conduits 12 sont collectés par les plaques 31 et 32 de la calandre 30, les gaz d'échappement peuvent être acheminés par un conduit d'échappement connecté à l'entrée de la calandre 30 de manière à circuler autour du ou des conduits 12, pour être évacués ensuite via la sortie de la calandre 30. De ce fait, le dispositif thermoélectrique 1 peut être installé dans un appareil, comportant un moteur à combustion, par exemple un véhicule. D'une manière générale, ce type d'appareil comporte un alternateur entraîné par ledit moteur, pour générer de l'électricité. Ainsi, le dispositif thermoélectrique 1 , générant une énergie électrique à partir d'une conversion de la chaleur des gaz d'échappement, permet avantageusement de réduire la consommation en combustible du moteur, en remplaçant l'alternateur de façon définitive ou provisoire.

Claims

Revendications
1. Dispositif thermoélectrique (1) comportant :
• une calandre (30) s'étendant le long d'un axe longitudinal (1 1 ') et munie de deux plaques (31 , 32) comportant chacune un orifice traversant (31 1 ,
321), et disposées respectivement à deux extrémités de la calandre (30) opposées selon l'axe longitudinal (1 1 ') ;
• deux plaques additionnelles (33, 34) comportant chacune un orifice de circulation (331 , 341), et disposées de manière que la calandre (30) soit interposée entre les deux plaques additionnelles (33, 34) ;
• un premier conduit (10) disposé dans un deuxième conduit (12), les premier (10) et deuxième (12) conduits étant disposés dans la calandre et s'étendant le long d'un axe longitudinal (1 1 ) et comportant chacun deux extrémités (102, 103, 122, 123) opposées selon l'axe longitudinal (11 ) ;
• un thermocouple (20) interposé entre les premier (10) et deuxième (12) conduits ;
le deuxième conduit (12) étant assemblé sur les deux plaques (31 , 32) de sorte que chacune des extrémités (122, 123) du deuxième conduit (12) communique avec l'orifice (31 1 , 321) de l'une des plaques (31 , 32) et que l'ensemble deuxième conduit (12) et calandre (30) soit étanche ; et
le premier conduit (10) étant assemblé de manière étanche sur les deux plaques additionnelles (33,34) de sorte que chacune des extrémités (102, 103) du premier conduit (10) communique avec l'orifice de circulation (31 1 , 321 ) formé dans l'une des plaques additionnelles (33, 34).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'une des deux plaques (31 ) de la calandre (30) est solidarisée de manière étanche avec une des deux plaques additionnelles (33) de manière à délimiter un espace inter-plaque (Eip) communiquant avec un espace interne (E12) délimité par le deuxième conduit (12) via au moins l'orifice (31 1) formé dans la plaque (31) de la calandre (30), et en ce qu'une canalisation de sortie (37) est formée dans une des plaques solidarisées (31 ou 33), et communique avec l'espace inter-plaques (Eip).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise sous vide de l'espace inter-plaques (Eip) et l'espace interne
(E12) via la canalisation de sortie (37).
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace interplaques (Eip) et l'espace interne (E12) sont sous atmosphère inerte.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le thermocouple (20) s'étend le long d'un axe transversal (13), et en ce que les premier ( 0) et deuxième (12) conduits sont conformés de manière que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression (oc), selon l'axe transversale (13), entre lesdits premier (10) et deuxième (12) conduits.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance d1 séparant les premier (10) et deuxième (12) conduits au niveau de la section transversale du thermocouple (20), est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple (20), la distance d1 et la dimension d2 étant mesurées à une même température (Tmes).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de circulation d'un premier fluide à une première température (T1 ) dans le premier conduit (10), et d'un deuxième^ fluide recouvrant le deuxième conduit (12), le deuxième fluide étant à une deuxième température (T2) inférieure à la première température (T1).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de circulation de fluides sont configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le premier conduit (10) et/ou dans le deuxième conduit (12).
9. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes suivantes :
- prévoir les premier (10) et deuxième (12) conduits, le premier conduit (10) étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit (12) et s'étendre selon l'axe longitudinal du deuxième conduit (12) ;
- prévoir le thermocouple (20) s'étendant le long de l'axe transversal (13) ; caractérisé en ce que la température du premier conduit (10) et/ou du thermocouple (20) est inférieure à la température du deuxième conduit (12) lors de l'assemblage des premier et deuxième conduits (10, 12) et du thermocouple (20) pour former le dispositif thermoélectrique (1) de sorte que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale ( 3), entre les premier et deuxième conduits (10, 12).
10. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes suivantes :
- prévoir des premier (14) et deuxième (15) demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal ( 1 ) et configurés pour former le deuxième conduit (12) en assemblant les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) ;
- disposer les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) en regard de manière que le premier conduit (10) soit logé entre les deux demi-conduits (14, 15), et que le thermocouple (20) soit interposé entre le premier demi- conduit (14) et le premier conduit (10) ;
- presser les premier (14) et deuxième (15) demi-conduits l'un vers l'autre de manière à imposer au thermocouple (20) une contrainte de compression, selon l'axe transversal (13), entre le premier demi-conduit (14) et le premier conduit (10) ;
- solidariser les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) pour former le deuxième conduit (12), le thermocouple (20) étant maintenu en compression, selon l'axe transversal (13), entre les premier (10) et deuxième (12) conduits.
11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les premier et deuxième conduits (10, 12) comportent respectivement des première (101) et deuxième (121) surfaces sensiblement planes et parallèles, disposées en regard de manière que le thermocouple (20) soit interposé entre lesdites première (101) et deuxième (121) surfaces.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce qu'une lamelle d'interface (16) à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple (20) et le premier conduit (10), et/ou entre le thermocouple (20) et le deuxième conduit (12).
13. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- faire circuler un premier fluide (F1) ayant une première température (T1), dans le premier conduit (10) ;
- faire circuler un deuxième fluide (F2) ayant une deuxième température (T2) inférieure à la première température (T1), autour du deuxième conduit (12).
14. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent dans le premier conduit (10).
15. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent autour du deuxième conduit (12).
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