FR2565735A1 - Convertisseur thermoelectrique - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CONVERTISSEUR THERMOELECTRIQUE COMPORTANT UNE SOURCE DE CHALEUR ET UN PUITS THERMIQUE, DONT DES FACES RESPECTIVES SONT SITUEES EN REGARD, AINSI QU'UN MODULE DE CONVERSION THERMOELECTRIQUE INTERPOSE ENTRE CES FACES. LE MODULE COMPORTE UN SUPPORT ELECTRIQUEMENT ISOLANT 40 PRESENTANT UN PREMIER COTE 42 ADJACENT A LA SOURCE DE CHALEUR ET UN SECOND COTE 44 ADJACENT AU PUITS THERMIQUE. LE SUPPORT PRESENTE DE PREMIERES PAROIS PARALLELES ET ESPACEES 46A-46K ET DE SECONDES PAROIS PARALLELES ET ESPACEES 48A-48I NORMALES AUX PREMIERES PAROIS ET DEFINISSANT AVEC ELLES UNE MATRICE DE COMPARTIMENTS 50 DONT CHACUN CONTIENT UN ELEMENT THERMOELECTRIQUE 52, 54. LE MODULE COMPORTE ENCORE UN COUSSIN ELASTIQUE CONDUCTEUR DE LA CHALEUR 62 DISPOSE SOUS COMPRESSION DANS CHAQUE COMPARTIMENT 50.
Description
La présente invention a trait à des sources d'énergie électrique et, plus
particulièrement, à un convertisseur
thermoélectrique à haut rendement.
Les convertisseurs thermoélectrique comportent une ma-
trice d'éléments thermoélectriques de type P et de type N, électriquement montés en série interposés en relation de transmission de chaleur entre une source de chaleur et un puits thermique. Par le phénomène appelé effet de Seebeck, ces éléments transforment de l'énergie thermique en énergie
électrique.
Les convertisseurs thermoélectriques selon la technique antérieure comportaient des supports en "cageot à oeufs" délimitant des compartiments ouverts aux extrémités destinés à recevoir les divers éléments. Les barrettes de connexion
assurant le montage en série des éléments portaient soit con-
tre le "côté chaud" (côté juxtaposé à la source de chaleur)
soit contre le "côté froid" (côté juxtaposé au puits thermi-
que) du support. Par conséquent, leurs emplacements par rap-
port aux éléments étaient fixes. Si, du fait de tolérances de fabrication ou de dilatations thermiques différentielles, les barrettes conductrices n'étaient pas fermement appliquées
contre les éléments, le rendement du module pouvait s'en trou-
ver gravement affecté.
Dans un autre convertisseur selon la technique antérieu-
re, on n'utilisait pas de support et l'on ménageait un espace d'air entre éléments voisins. Afin de permettre la dilatation
thermique, un raccordement articulé était prévu entre l'as-
semblage d'élément et la source de chaleur. En outre, on uti-
lisait un puits thermique percé d'alésages qui recevaient des
ressorts pressant à ajustage lache le côté froid des compo-
sants de l'assemblage d'éléments pour s'adapter à des incli-
naisons de cet assemblage. Le joint d'inclinaison et les res-
sorts à boudin réduisaient la transmission à chaleur à tra-
vers les éléments. Pour un supplément d'information sur la
structure et le fonctionnement de ces convertisseurs thermo-
électriques selon la technique antérieure, on pourra se réfé-
rer aux brevets US 2.980.746 et GB 912.001 et 1.228.287.
L'invention a entre autres pour but de réaliser un con-
vertisseur thermoélectrique ayant un haut rendement et un
poids faible. Le convertisseur comporte un support comparti-
menté permettant un groupement serré des divers éléments thermoélectriques et permettant de réaliser tous les montages en série des éléments maintenus en deçà des confins du sup- port. Le convertisseur compense en outre les différences de hauteur entre éléments dues à des tolérances de fabrication ou à des dilatations thermiques différentielles en maintenant les éléments sous compression entre la source de chaleur et le puits thermique. Le convertisseur est de plus fiable, doté
d'une grande longévité et est simple et économique à fabri-
quer. D'autres buts et aspects de l'invention apparaîtront en
partie d'eux-mêmes et seront en partie soulignés dans la sui-
te de la description et dans les revendications annexées.
En bref, le convertisseur selon la présente invention
comporte une source de chaleur, un puits thermique et un mo-
dule de conversion thermoélectrique. La source de chaleur et
le puits thermique présentent des faces appariées et le modu-
le est disposé entre ces faces. Le module comporte un support électriquement isolant présentant un côté chaud placé près de la source de chaleur et un côté froid disposé près du
puits thermique. Le support présente de premières parois pa-
rallèles et espacées et de secondes parois parallèles et es-
pacées qui s'étendent normalement aux premières parois et définissent avec elles une matrice de compartiments, dont
chacun contient un élément thermoélectrique. Le module com-
porte aussi un coussin élastique conducteur de la chaleur
placé sous compression dans chaque compartiment.
On va maintenant décrire une réalisation préférée de l'invention en se référant aux dessins annexes, sur lesquels:
la figure 1 est une vue isométrique éclatée des compo-
sants d'un module de conversion thermoélectrique selon la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective d'une plaque
d'assemblage servant à assembler le module de conversion se-
lon la figure 1;
la figure 3 est une vue en perspective d'un module ter-
miné; la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 3; la figure 6 est une vue en élévation latérale d'un con- vertisseur thermique terminé comportant le module selon la figure 1 monté sur une source de chaleur; et la figure 7 représente le convertisseur selon la figure
6 en coupe suivant la ligne 7-7 de la figure 6, certains com-
posants n'étant pas représentés en coupe.
Les mêmes composants sont désignés par les mêmes réfé-
rences numériques sur toutes les diverses figures des dessins.
On se réfère maintenant aux dessins; un convertisseur thermoélectrique relon la présente invention est désigné sur
les figures 6 et 7 par la référence numérique 20. Le conver-
tisseur comporte une source de chaleur centrale 22 présentant des côtés plats 23. A l'extérieur de chacun des côtés plats de la source de chaleur est disposé un module de conversion
thermoélectrique 24, un puits thermique 26 présentant un cô-
té dans l'ensemble plat 27 portant contre le module et un réservoir 28 rempli d'un gaz inerte à faible conductibilité
thermique destiné à éviter une perte de chaleur excessive.
Chaque puits thermique présente deux brides de montage oppo-
sées 30, percées de trous recevant des boulons de serrage 32 pour maintenir le convertisseur à l'état assemblé. Des moyens élastiques, sous la forme de rondelles Belleville 34, sont prévus sous les têtes de boulon pour presser chaque puits thermique contre la surface de module qui lui fait face. Des blocs isolants 38 sont disposés contre les autres côtés de la source de chaleur 22 et des modules 24 pour réduire encore
les pertes.
La source de chaleur 22 pourrait être la section de con-
denseur d'un tuyau de chauffe 36, dont la section d'évapora-
teur pénétrerait dans un montage de brûleur. On pourra se re-
porter à la demande de brevet déposée aux Etats-Unis en date
du 11 Juin 1984 sous le N 618.991 pour trouver la descrip-
tion d'un système de conversion thermoélectrique comportant
un montage de brûleur pour le chauffage de tels tuyaux.
Comme représenté le mieux sur la figure 1, le module 24 comporte un support thermiquement et électriquement isolant
, de préférence en mica, destiné à retenir une multiplici-
té d'assemblages d'élément thermoélectrique et à permettre leur montage électrique en série à l'intérieur de l'envelop- pe du support. Plus particulièrement, le support 40 présente un premier côté ou côté chaud 42 et un second côté ou côté froid 44 et comporte une multiplicité de premières parois parallèles et espacées 46a-46k qui s'étendent du côté chaud au côté froid. Le support comporte aussi un certain nombre
de secondes parois parallèles et espacées 48a-48i qui s'éten-
dent normalement aux premières parois et définissent avec elles une matrice de compartiments 50. Chaque compartiment
contient un élément thermoélectrique. Des éléments thermo-
électriques de type N 52 et de type P 54 sont disposés par paires. De premières parois voisines définissent des colonnes de quatre paires d'éléments thermoélectriques tandis que de
secondes parois voisines définissent des rangées o des élé-
ments de types opposés sont disposés l'un près de l'autre.
L'une sur deux des secondes parois (48a, 48c, 48e, 48g et 48i) s'étend jusqu'au côté chaud 42 du support mais se termine en deçà du côté froid 44. D'autre part, les autres secondes parois (48b, 48d, 48f et 48h) s'étendent jusqu'au côté froid 44 du support mais se terminent en deçà du côté chaud. Grâce à cet agencement, les deux éléments d'une paire et chaque paire d'élément d'une colonne peut être montés en série en deçà des confins du support, c'est-à-dire entre les
côtés 42 et 44. Le module 24 comporte des conducteurs de cô-
té chaud 56 montant en série les éléments d'une paire sur le
côté chaud du support. Le module comporte encore des conduc-
teurs de côté froid 58 montant en série les éléments de type
N et P de paires voisines près du côté froid du support,com-
me représenté le mieux sur la figure 4.
Chaque première paroi intérieure 46b-46j présente un
tronçon extrême raccourci 60, les tronçons extrêmes raccour-
cis de premières parois voisines étant situés à des extrémi-
tés opposées des colonnes du côté froid du support. Comme on le voit sur la figure 5, les tronçons raccourcis prévus à des
extrémités alternées de colonnes voisines permettent de re-
lier en série les colonnes de paires d'éléments thermoélec-
triques par les conducteurs 58, aussi à l'intérieur des con-
fins du support.
Dans chaque compartiment est disposé, avec un élément thermoélectrique et près du côté froid du support, un coussin élastique conducteur de la chaleur 62. Lors de l'assemblage du convertisseur, on comprime chaque coussin pour repousser les uns contre les autres l'élément compartimenté respectif et d'autres composants en assurant de bons contacts thermique et électrique. Chaque coussin a, en plan, une forme générale
rectangulaire et a la grandeur voulue pour boucher sensible-
ment le compartiment dans lequel il est disposé. Chaque cous-
sin est de préférence en feutre de fibre de métal tel que cui-
vre. Les coussins compensent, grace à leur élasticité, les
différences de hauteur entre éléments 52 et 54 pouvant décou-
ler de tolérances de fabrication, de dilatations thermiques
différentielles ou de fluage différentiel du matériau thermo-
électrique, de préférence PbTe. Les coussins 62 sont compri-
més par la force engendrée par les rondelles Belleville 34 qui agissent sur le puits thermique et compriment le module
24 entre le puits thermique et la source de chaleur.
Pour assembler le module de conversion thermoélectrique 24, on utilise une plaque de montage 64, représentée sur la
figure 2, présentant une matrice 66 de rainures sécantes des-
tinées à recevoir les diverses premières et secondes parois
du support 40. La plaque de montage présente aussi une matri-
ce de plates-formes rectangulaires 67, définies par les rai-
nures, destinées à pénétrer dans les compartiments 50 du sup-
port pour positionner les éléments 52, 54.
Apres avoir coupé à la longueur voulue des éléments N 52 et P 54 ayant l'aire de section prescrite, suffisante pour remplir sensiblement chaque compartiment 50, on revêt par plaquage ionique les éléments de type P. sur leur côté froid, d'une couche 68 de 0,076 à 0,127 mm de SnTe. Cette couche est destinée à éviter une interaction entre une feuille de Pb 70
posée ultérieurement et l'élément PbTe de type P 54. Une tel-
le interaction aurait pour effet de faire diffuser du plomb
2S65735
de la feuille vers l'intérieur de l'élément, provoquant la transformation de celui-ci en élément de type N. On place le support 40, qui isole électriquement chaque élément 52, 54, sur la plaque de montage 64 dont les diverses plates-formes 67 servent à positionner les éléments dans les compartiments
du support.
On pose la feuille de Pb 70 reliant les paires voisines.
On notera que cette feuille est compatible tant avec l'lé-
ment PbTe de type N qu'avec l'élément de type P dont la face
en regard est revêtue de SnTe. La feuille forme avec ces ma-
tériaux une liaison à faible résistance de contact. De plus, la feuille 70 oppose un barrage à la diffusion pour empêcher
le cuivre de migrer dans le PbTe ou dans le SnTe. Si on lais-
sait cette migration apparaître, il en découlerait une dégra-
dation des éléments de conversion thermoélectrique. On pose ensuite les conducteurs de côté froid 58, de préférence en cuivre, pour établir un pont entre un élément de type N et
un élément de type P de paires d'éléments voisines. Les as-
semblages d'élément comportent aussi des isolateurs électri-
ques 72, de préférence en oxyde d'aluminium, destinés à iso-
ler électriquement les éléments d'autres composants situés du c6té froid. On notera que l'oxyde d'aluminium s'il est un bon isolateur électrique, est conducteur de la chaleur. On a
recours à une seconde feuille de Pb 74 pour améliorer le con-
tact thermique entre les isolateurs en oxyde d'aluminium 72 et les coussins en fibre métallique (cuivre) 62. Les coussins agissent pour presser;élastiquement les éléments 52, 54 contre les conducteurs électriques de côtés chaud et froid. Outre leur grande flexibilité, les coussins présentent une haute
conductibilité thermique pour minimiser la différence de tem-
pérature entre le puits thermique et la jonction froide thermoélectrique. Apres avoir retiré le module partiellement assemblé de la plaque de montage 64 et l'avoir retourné, on place une entretoise en graphite 76 sur chaque élément de type P 54. Le
graphite est compatible avec le PbTe de type P et est néces--
saire parce que la plupart des métaux réagissent avec ce ma-
tériau de type P (riche en Te) pour former des tellurures
avec le PbTe de type P. Cet appauvrissement en tellurure en-
traIne une dégradation des propriétés thermoélectriques des éléments de type P. Ensuite, on pose les conducteurs chauds 56 qui relient en série les éléments de type N et de type P de chaque paire
d'éléments. Le conducteur chaud est de préférence en Fe par-
ce que ce matériau est compatible avec le PbTe de type N (riche en Pb) et avec le graphite. Le conducteur chaud 56 est prévu assez épais pour assurer son service en tant que
bon conducteur électrique. Un aspect particulièrement avanta-
geux de l'utilisation de Fe est qu'elle permet de fabriquer aisément les conducteurs 56 par techniques de métallurgie des poudres. On notera qu'on peut utiliser au lieu de Fe
d'autres matériaux tels que molybdène.
Le module 24 comporte aussi un isolateur électrique de côté chaud, aussi de préférence en oxyde d'aluminium, pour isoler le conducteur chaud de la source de chaleur, qui peut être en un matériau conducteur de l'électricité. On pourrait aussi utiliser le nitrure de bore pour l'isolateur de côté chaud. L'isolateur de côté chaud pourrait être soit sous la forme de petits morceaux rectangulaires 79a (représentés sur
la figure 1) destinés à recouvrir les conducteurs chauds in-
dividuels, soit sous la forme d'une feuille 79b (représentée sur les figures 3 à 5) qui couvrirait tout le côté chaud du support. Il est à noter qu'on prévoit de préférence une autre
feuille de Pb 80 entre le puits thermique et les coussins 62.
On traite le module assemblé 24 en le portant à une tem-
pérature d'environ 250 C sous atmosphère inerte tout en le comprimant d'environ O,1 mm. Cette opération d'assemblage
met en appui les diverses surfaces appariées de façon à éta-
blir des contacts à faible résistance. On pose sous compres-
sion le module 24 entre le côté plat 23 de la source de cha-
leur 22 et le côté plat 27 du puits thermique 26. Lorsqu'ils
fonctionnent avec une température de source de chaleur d'en-
viron 570 C et une température de puits thermique d'environ C, les modules 24 s'avèrent fournir approximativement 42 watts sous environ 5 volts. Ceci indique que les pertes par
résistance étrangère parasite sont inférieures à 10%. Le con-
vertisseur 20 représenté sur les figures 6 et 7 comporte un
total de six modules thermoélectriques 24. On place trois mo-
dules de chaque côté de la source de chaleur et l'on monte les six modules en série, ce qui fait que le convertisseur débite environ 250 watts. Chaque module comporte des fils isolés 82, 84 reliés aux éléments situés à une extrémité des
colonnes définies par les parois 46a, 46b et 46j, 46k, res-
pectivement, pour permettre de monter commodément en série
les divers modules d'un convertisseur.
D'après ce qui précède, on voit que l'on atteint les di-
vers buts de l'invention et que l'on obtient d'autres résul-
tats avantageux.
De manière générale, les dispositions décrites se prê-
tent à diverses modifications sans sortir, pour autant, du
cadre de l'invention.
Claims (9)
1. Convertisseur thermoélectrique (20) caractérisé en ce qu'il comprend: une source de chaleur (22) présentant une face à apparier (23); un puits thermique (26) présentant une face à apparier (27); et un module de conversion thermoélec- trique (24) disposé entre la source de chaleur et le puits
thermique et portant contre lesdites faces, ce module compre-
nant un support électriquement isolant (40), ce support pré-
sentant un premier côté (42) disposé près de la source de
chaleur et un second côté (44) disposé près du puits thermi-
que; ledit support comprenant une multiplicité de premières parois parallèles et espacées (46a-46k) et une multiplicité
de secondes parois parallèles et espacées (48a-48i) qui s'é-
tendent normalement aux premières parois et définissent avec elles une matrice de compartiments (50) contenant chacun un élément thermoélectrique (52,54), ledit module comportant encore un coussin élastique conducteur de la chaleur (62)
disposé sous compression dans chaque compartiment.
2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites premières parois (46a-46k) définissent
des colonnes de paires d'élément (52,54), chaque paire com-
portant un élément thermoélectrique de type P et un élément
thermoélectrique de type N, lesdites premières parois s'éten-
dant depuis ledit premier côté (42) vers ledit second côté
(44).
3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites secondes parois (48a-48i) définissent des rangées d'éléments, les éléments voisins d'une rangée étant de types opposés, l'une sur deux des secondes parois allant
jusqu'au dit premier côté mais s'arrêtant en deçà dudit se-
cond côté, les autres secondes parois allant jusqu'au dit se-
cond côté mais s'arrêtant en deçà dudit premier côté, ce qui
permet de monter en série chaque colonne d'éléments intérieu-
rement aux confins dudit support.
4. Convertisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que des tronçons (60) desdites premières parois sont
raccourcis près des extrémités de colonnes voisines pour per-
mettre de monter les colonnes électriquement en série inté-
rieurement aux confins dudit support.
5. Convertisseur selon-la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comprend encore des moyens élastiques (62) desti-
nés à presser ledit puits thermique contre ledit second côté du module.
6. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque coussin est de forme générale rectangulaire
et a sensiblement la grandeur voulue-pour boucher le compar-
timent dans lequel il est disposé.
7. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé
en ce que lesdits éléments sont en tellurure de plomb.
8. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé
en ce que lesdits coussins sont en cuivre.
9. Support devant servir dans un module de conversion
therxoélectrique, ce support étant en un matériau électrique-
ment isolant et étant caractérisé en ce qu'il comprend: une multiplicité de premières parois parallèles et espacées (46a-46k); et une multiplicité de secondes parois parallèles
et espacées (48a-48i) s'étendant normalement auxdites premiè-
res parois et définissant une matrice de compartiments (50)
de réception d'éléments thermoélectriques (52,54), ledit sup-
port présentant un premier côté (42) à disposer près d'une source de chaleur (22) et un second côté (44) à disposer près
d'un puits thermique (26), lesdites premières parois définis-
sant des colonnes et s'étendant depuis ledit premier côté vers ledit second côté, lesdites secondes parois définissant des rangées d'éléments, l'une sur deux des secondes parois s'étendant jusqu'au dit premier côté mais s'arrêtant en deçà
dudit second côté, les autres secondes parois s'étendant jus-
qu'au dit second côté mais s'arrêtant en deçà dudit premier
côté, des parties déterminées des premières parois étant sup-
primées près des extrémités de colonne voisines de façon qu'on puisse relier tous les éléments en série entre lesdits
premier côté et second côté.
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