FR2744794A1 - Heating and cooling module using Peltier effect - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif permettant de chauffer ou refroidir une masse. The present invention relates to a device for heating or cooling a mass.
Traditionnellement, l'élévation de temperature d'une masse se fait par resistance electrique utilisant l'effet Joule. Son refroidissement se fait par contre par détente de gaz a laide dtun compresseur et dun évaporateur
Si le chauffage par reaistance est d'une simplicite, il n'en n'est pas de mOine pour le refroidissement. Dans le cas d'un local, son rafraichissement nécessite un appareil supplémentaire appele climatiseur. Quant un véhicule, le rendement du moteur et sa consommation sont pénalises lorsque le compresseur est en service pour la climatisation.Traditionally, the temperature rise of a mass is done by electrical resistance using the Joule effect. However, it is cooled by gas expansion using a compressor and an evaporator
If the heating by resistance is of a simplicity, there is not a MINE for cooling. In the case of a room, its cooling requires an additional device called air conditioner. As for a vehicle, the efficiency of the engine and its consumption are penalized when the compressor is in service for air conditioning.
Le dispositif, selon l'invention, permet, avec le meme appareil, de réaliser ces deux opérations. The device according to the invention makes it possible, with the same device, to carry out these two operations.
D'autre part, la production d'air conditionne d'un vehicule devenant independante du moteur, l'énergie necessaire étant fourni par la batterie, il est intéressant d'installer un deuxième bloc thermoélectrique qui, ne fonctionnant qu'en position froid, permettra d'améliorer le refroidissement du moteur et d'abaisser la temperature de celui-ci pour obtenir de meilleurs performances par la réduction des échauffements mécaniques. On the other hand, the conditioned air production of a vehicle becoming independent of the engine, the necessary energy being supplied by the battery, it is interesting to install a second thermoelectric block which, operating only in the cold position, will improve the cooling of the engine and lower the temperature of the engine to obtain better performance by reducing mechanical overheating.
Le dispositif se compose d'un bloc thermoélectrique utilisant l'effet Peltier pour produire l'effet recherche. I1 est fait de trois étages montés en série thermique, chaque étage étant constitue de quatre modules groupant plusieurs couples thermoélectriques, leur nombre dépendant de la puissance souhaitée, composes de semi-conducteurs permettant d'utiliser l'effet Peltier avec un maximum d'efficacité. Pour cela, on peut utiliser entre autre des composes du tellure ou du sélénium associés & des métaux lourds tels que le plomb, le bismuth ou l'antimoine. Ces quatre modules formés de plusieurs couples seront montés en parallèle thermique.L'alimentation électrique de ce bloc sera en série pour l'ensemble de ses composants. Associee ce bloc, une pompe permet, travers un serpentin, de transferer par l'intermédiaire d'un liquide, le chaud ou le froid, selon le choix désiré. The device consists of a thermoelectric block using the Peltier effect to produce the research effect. I1 is made of three stages mounted in thermal series, each stage being made up of four modules grouping several thermoelectric couples, their number depending on the desired power, composed of semiconductors allowing the Peltier effect to be used with maximum efficiency . For this, it is possible to use, inter alia, tellurium or selenium compounds combined with heavy metals such as lead, bismuth or antimony. These four modules made up of several pairs will be mounted in thermal parallel. The power supply for this block will be in series for all of its components. Associated with this block, a pump allows, through a coil, to transfer via a liquid, hot or cold, depending on the desired choice.
Pour parfaire le fonctionnement, dans le cas d'un local, un ventilateur soufflera de l'air soit vers le haut quand il s'agira de refroidir, soit vers le bas quand il s'agira de chauffer. Son debit sera proportionnel & la temperature désirée. Dans le cas de l'habitacle d'un véhicule, l'échange se fera & partir de l'air pris & l'extérieur et amené vers l'intérieur. I1 est également possible, en obstruant l'entrée de l'air extérieur, de faire un recyclage interne comme c'est le cas actuellement pour les véhicules équipés de l'air conditionne.Bn ce qui concerne le moteur, la température du liquide frigorigène ajoute dans le circuit de refroidissement classique sera fonction de la température environnante du moteur. To complete the operation, in the case of a room, a fan will blow air either upwards when it comes to cooling, or downwards when it comes to heating. Its flow will be proportional to the desired temperature. In the case of the passenger compartment of a vehicle, the exchange will be made from the air taken from outside and brought inwards. It is also possible, by obstructing the entry of outside air, to do an internal recycling as is currently the case for vehicles equipped with air conditioning. As regards the engine, the temperature of the refrigerant added to the conventional cooling circuit will depend on the surrounding temperature of the engine.
Les dessins annexés illustrent l'invention: -La figure 1 représente un module composé, pour l'exemple, de trois couples thermoélectriques dont la construction a été decrite par H.J. Goldsmid dans l'ouvrage intitule Applications of Thermoelectricity, New York, 1960 n. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents a module composed, for example, of three thermoelectric couples, the construction of which has been described by H.J. Goldsmid in the work entitled Applications of Thermoelectricity, New York, 1960 n.
-La figure 2 montre l'assemblage de quatre modules en parallèle thermique et serie électrique qui composeront un étage.-Figure 2 shows the assembly of four modules in thermal parallel and electrical series which will compose a stage.
-La figure 3 represente une coupe d'un étage -La figure 4 représente le bloc thermoélectrique composé de trois étages montes en série thermique et électrique.FIG. 3 represents a section of a stage. FIG. 4 represents the thermoelectric block composed of three stages assembled in thermal and electric series.
-La figure 5 représente le couvercle du bloc qui contient le serpentin servant d'échangeur thermique.FIG. 5 represents the cover of the block which contains the coil serving as a heat exchanger.
-La figure 6 représente le dispositif, selon l'invention, de l'ensemble thermoélectrique associe & un radiateur de chauffage de locaux a liquide et ses composants.FIG. 6 represents the device, according to the invention, of the thermoelectric assembly associated with a space heating radiator for liquid premises and its components.
-La figure 7 représente le panneau de commande du radiateur vue de face.FIG. 7 represents the control panel of the radiator seen from the front.
La figure 8 représente le schema électrique de l'ensemble radiateur de chauffage et bloc thermoélectrique.FIG. 8 represents the electrical diagram of the heating radiator and thermoelectric block assembly.
La figure 9 représente le dispositif, selon l'invention, de ce même ensemble pour la climatisation d'un habitacle d'un véhicule version air extérieur.FIG. 9 represents the device, according to the invention, of this same assembly for the air conditioning of a passenger compartment of a vehicle with an outdoor air version.
Le figure 10 represente la version spécifique eu moteur à explosion permettant un meilleur refroidissement selon l'invention. FIG. 10 represents the specific version of an internal combustion engine allowing better cooling according to the invention.
En référence à ces dessins, le dispositif se compose au depart de modules thermoélectriques (fig.l) composés d'éléments semi-conducteurs réalisés, par exemple, à partir de tellurure de bismuth qui seront, selon l'enrichissement, de type N (l) ou
P (2). La liaison électrique entre les éléments se fera par soudage sur des plaques d'aluminium (3) et l'isolation par des plaquettes isolantes de Bakélite (4) qui prendront leur position définitive avant l'assemblage des liaisons hautes (5).With reference to these drawings, the device consists at the start of thermoelectric modules (fig.l) composed of semiconductor elements produced, for example, from bismuth telluride which will, according to the enrichment, of type N ( l) or
P (2). The electrical connection between the elements will be by welding on aluminum plates (3) and the insulation by Bakelite insulating plates (4) which will take their final position before the assembly of the high connections (5).
Les liaisons électriques extérieures se feront a partir des éléments (6) par fil soude sur les éléments de connexion dans les rainures (7) prévues & cet effet.The external electrical connections will be made from the elements (6) by welding wire on the connection elements in the grooves (7) provided for this purpose.
Le raccordement électrique (fig.2) par le c blage (8) de ces quatre modules (9) sera montré par une vue de dessus. The electrical connection (fig.2) by the wiring (8) of these four modules (9) will be shown by a top view.
Chaque module sera positionne dans un meme plan et isolé électriquement des autres par des plaquettes de Bakélite (10).Each module will be positioned in the same plane and electrically isolated from the others by Bakelite plates (10).
Les liaisons exterieures (alimentation entre étages) se feront par les conducteurs (li). External connections (power supply between floors) will be made by conductors (li).
La coupe suivant AA (fig.3) montre l'assemblage des modules pour former un étage (18). Chaque module sera placé sur une plaque d'aluminium surfacée (12) avec une feuille intercalaire de mica ou quartz (13) pour assurer une isolation électrique et une conductibilite thermique. Le mOine assemblage sera retenu pour la partie supérieure. Cet ensemble sera maintenu par un cadre (14) fait de cornières d'aluminium soudées. Sur ces cornières seront soudees des carrés de renfort (15) permettant le passage d'une vis de fixation (16) ou comportant un filetage (17) qui serviront au serrage de l'ensemble. The section along AA (fig. 3) shows the assembly of the modules to form a stage (18). Each module will be placed on a surfaced aluminum plate (12) with an interlayer sheet of mica or quartz (13) to ensure electrical insulation and thermal conductivity. The same assembly will be used for the upper part. This assembly will be maintained by a frame (14) made of welded aluminum angles. On these angles will be welded reinforcing squares (15) allowing the passage of a fixing screw (16) or having a thread (17) which will be used to tighten the assembly.
Les trois étages (18) seront assemblés en série thermique et électrique (fig.4). Chaque étage sera superpose dans une enceinte en aluminium (20) dont les dimensions seront ajustées aux cOtes de ceux-ci. Le fond plat rectifié de cette enceinte permettra un bon contact thermique avec l'extérieur. Cette enceinte sera placée dans un autre recipient (21) qui possédera des orifices destines au passage des cibles de liaisons pour l'alimentation électrique (22). De la mousse polyuréthanne (23) sera injectée entre les deux enveloppes pour assurer une isolation thermique du bloc thermoélectrique avec l'extérieur. The three stages (18) will be assembled in thermal and electrical series (fig. 4). Each stage will be superimposed in an aluminum enclosure (20) whose dimensions will be adjusted alongside them. The rectified flat bottom of this enclosure will allow good thermal contact with the outside. This enclosure will be placed in another container (21) which will have orifices intended for the passage of the connection targets for the electrical supply (22). Polyurethane foam (23) will be injected between the two envelopes to ensure thermal insulation of the thermoelectric block with the outside.
Quatre points de fixation (24) soudes sur l'enveloppe externe et tarauds assureront la liaison mécanique avec le couvercle (25). par l'intermédiaire de vis (26). Le couvercle (25) mettra en contact un serpentin (27) avec une extrémité du bloc thermoelectrique. Un radiateur à ailettes en aluminium (61) sera fixé sur la face externe de l'enceinte (21) en opposition au serpentin (27) pour facilité l'échange thermique avec l'extérieur des jonctions qui seront froides ou chaudes selon l'usage et permettra de rapprocher leur temperature de celle ambiante et contribuera ainsi & une stabilisation relative de celles-ci. Une thermistance (39) indiquera la temperature du serpentin. La température externe du couvercle sera transmise par la thermistance (40).Four fixing points (24) welded on the external casing and taps will ensure the mechanical connection with the cover (25). by means of screws (26). The cover (25) will contact a coil (27) with one end of the thermoelectric block. An aluminum fin radiator (61) will be fixed on the external face of the enclosure (21) in opposition to the coil (27) to facilitate heat exchange with the outside of the junctions which will be cold or hot depending on use and will bring their temperature closer to the ambient temperature and will thus contribute to a relative stabilization of these. A thermistor (39) will indicate the temperature of the coil. The external temperature of the cover will be transmitted by the thermistor (40).
La liaison de l'ensemble du bloc thermoélectrique avec l'extérieur se fera par un couvercle adapte composé de deux parties (fig.5). La première est un bloc en aluminium moulé (28) qui possède un logement destiné à recevoir le serpentin (27) qui assurera, par conduction a travers un liquide composé d'un mélange eau-glycol, le transfert de la chaleur ou du froid, vers les appareils concernes. Ce bloc sera maintenu par le couvercle (25) qui, évidé dans sa partie centrale, évitera les pertes calorifiques par de la mousse polyurethanne injectee (29), le maintien de l'ensemble étant assuré par les vis (26). The connection of the entire thermoelectric block with the outside will be done by a suitable cover made up of two parts (fig. 5). The first is a cast aluminum block (28) which has a housing intended to receive the coil (27) which will ensure, by conduction through a liquid composed of a water-glycol mixture, the transfer of heat or cold, to the devices concerned. This block will be maintained by the cover (25) which, hollowed out in its central part, will prevent heat losses by injected polyurethane foam (29), the maintenance of the assembly being ensured by the screws (26).
Le radiateur de chauffage (lamellaire ou a ailettes entre autre) & liquide (30) sera équipé d'un bloc thermoelectrique fixé verticalement (fig.6). Ce bloc (31), aura son échangeur thermique en position basse. Une extrémité du serpentin (27) sera reliee au collecteur haut du radiateur par un flexible place dans une gaine & isolant thermique (32). L'autre sortie sera raccordée à une pompe électrique (33) qui sera elle-même reliée au collecteur bas du radiateur (34) dans les mêmes conditions. Le secteur alimentera le panneau de commande (35 > . The heating radiator (lamellar or fins among others) & liquid (30) will be equipped with a thermoelectric block fixed vertically (fig. 6). This block (31) will have its heat exchanger in the low position. One end of the coil (27) will be connected to the upper manifold of the radiator by a flexible hose placed in a sheath & thermal insulator (32). The other outlet will be connected to an electric pump (33) which will itself be connected to the lower collector of the radiator (34) under the same conditions. The sector will supply the control panel (35>.
Le dispositif sera complété par un ventilateur & flux réversible (43). Composé d'ailettes horizontales (44), deux cornets, l'un orienté vers le haut (45), l'autre incliné vers le bas (46) serviront l'un & aspirer l'air, l'autre & le propulser. Le sens de rotation du moteur sera fonction du choix froid ou chaud. Le flux sera dirigé vers le haut pour le froid ou bas pour le chaud. Le moteur du ventilateur (47) sera fixé sur le côté.The device will be completed by a reversible fan & flow (43). Composed of horizontal fins (44), two horns, one facing upwards (45), the other inclined downwards (46) will serve one to suck in air, the other to propel it. The direction of rotation of the motor will depend on the cold or hot choice. The flow will be directed upwards for cold or downwards for hot. The fan motor (47) will be attached to the side.
Les différentes commandes (fig.7) seront regroupes sur un panneau de commande (35). Il y aura entre autre l'interrupteur
marche-arret (36) du système qui peut être accompagné de voyants de fonctionnement. La puissance sera fonction de la position du rhéostat (37) qui déterminera la valeur de la tension. L'inverseur (38) permettra de choisir le chauffage ou le refroidissement. The different controls (fig. 7) will be grouped together on a control panel (35). Among other things, there will be the switch
on-off (36) of the system which can be accompanied by operating indicators. The power will depend on the position of the rheostat (37) which will determine the value of the voltage. The inverter (38) will allow you to choose heating or cooling.
Le schéma (fig.8) montre les différents éléments composant le système. L'interrupteur (36) relira le secteur un redresseur (44). La tension redresse alimentera le régulateur (45) qui fournira une tension variable de zéro & quelques volta selon la position du rhéostat (37). Une thermistance (39) situee dans le couvercle (25) transmet la valeur de la temperature du serpentin (27). Une autre aonde (40) mesurera la température externe. Ces deux mesures seront comparées par le systeme amplificateur (41). si l'écart entre les deux températures est trop important, l'ampli (41) alimentera le relais (42) qui coupera l'alimentation du système ceci afin d'éviter les chocs thermiques.Lorsque le différentiel entre les deux températures sera redevenu faible, le relais reviendra en position zéro. Cette aolution évite de passer brusquement du froid au chaud ou vice-versa sans délais d'attente. L'inverseur (38), en sus de selectionner la température froide ou chaude, determinera le sens de rotation de la pompe (33), la production de chaleur étant dirigee vers le collecteur bas, celle du froid vers le haut ainsi que le sens du ventilateur (43). The diagram (fig. 8) shows the different elements making up the system. The switch (36) will connect the sector to a rectifier (44). The rectified voltage will supply the regulator (45) which will supply a variable voltage from zero & a few volts depending on the position of the rheostat (37). A thermistor (39) located in the cover (25) transmits the temperature value of the coil (27). Another wave (40) will measure the external temperature. These two measurements will be compared by the amplifier system (41). if the difference between the two temperatures is too great, the amplifier (41) will supply the relay (42) which will cut the power supply to the system this in order to avoid thermal shocks. When the differential between the two temperatures will become low again , the relay will return to zero position. This solution avoids going suddenly from cold to hot or vice versa without waiting times. The inverter (38), in addition to selecting the cold or hot temperature, will determine the direction of rotation of the pump (33), the production of heat being directed towards the bottom collector, that of the cold upwards as well as the direction of the fan (43).
Bn ce qui concerne l'air conditionnée d'un véhicule (figes) le principe sera identique à celui du local hormis l'alimentation continu qui se fera & partir de la batterie (48). Les commandes pour le chauffage ou la climatisation (49) avec soufflerie de l'air exterieur ou recyclage seront identiques & celles existantes actuellement sur les véhicules. Regarding the air conditioning of a vehicle (figs) the principle will be identical to that of the room except the continuous supply which will be made from the battery (48). The controls for heating or air conditioning (49) with external air blower or recycling will be identical to those existing on vehicles.
Le bloc thermoélectrique (31) remplacera le compresseur et l'évaporateur. Le liquide caloporteur ou frigorigene, selon le choix, sera amene par la pompe (33) dans un échangeur à ailettes (50). Le radiateur à ailettes moulé (61) fixé près de l'extrémité (21) du bloc sera situe près d'une aile pour subir le moins possible l'influence de la chaleur du moteur.The thermoelectric block (31) will replace the compressor and the evaporator. The coolant or refrigerant, depending on the choice, will be brought by the pump (33) into a finned exchanger (50). The molded fin radiator (61) fixed near the end (21) of the block will be located near a wing to undergo as little as possible the influence of engine heat.
L'échangeur (50) sera situé dans une gaine (51) qui servira de soufflerie. L'air extérieur sera amené par le ventilateur (52) vers le conduit d'aération de l'habitacle (53). The exchanger (50) will be located in a sheath (51) which will serve as a blower. The outside air will be supplied by the fan (52) to the cabin ventilation duct (53).
L'amélioration du circuit de refroidissement du moteur (fig.lO) se fera par le branchement en parallèle du bloc thermoelectrique (31). Le radiateur (54) servira de refroidissement principal au moteur. Les durits (55) assureront le transfert du liquide par l'intermédiaire de la pompe & eau (56) vers le bloc moteur. Le thermostat membrane (57) du circuit principal s'ouvrira lorsque la temperature définie basse sera atteinte. Le thermostat du circuit secondaire (58) laissera passer le liquide vers le bloc thermoélectrique lorsque la température dite moyenne sera atteinte. Une thermistance (59) permet au circuit de commande (60) la mise en fonction a la température moyenne du bloc thermoélectrique ainsi que la puissance necessaire pour assurer un refroidissement plus bas et stable du moteur. The engine cooling circuit will be improved (fig.lO) by connecting the thermoelectric block (31) in parallel. The radiator (54) will serve as the main engine cooling. The hoses (55) will transfer the liquid through the pump & water (56) to the engine block. The membrane thermostat (57) of the main circuit will open when the set low temperature is reached. The thermostat of the secondary circuit (58) will let the liquid pass to the thermoelectric block when the so-called average temperature is reached. A thermistor (59) allows the control circuit (60) to operate at the average temperature of the thermoelectric block as well as the power necessary to ensure lower and stable cooling of the motor.
Claims (5)
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