FR3022075A1 - Elements, module et dispositif thermo electrique, notamment destines a generer un courant electrique dans un vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément thermo électrique (3p, 3n), comprenant au moins deux ouvertures (10, 11), dites première et deuxième ouvertures, la première ouverture (10) étant configurée pour être en relation thermique avec une source chaude et la deuxième ouverture (11) étant configurée pour être en relation thermique avec une source froide de température inférieure à celle du fluide chaud, ledit élément thermo électrique (3p, 3n) étant configuré pour générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre la première ouverture (10) et la deuxième ouverture (11) par la source chaude et la source froide. L'invention concerne aussi un module thermo électrique comprenant un tel élément thermo électrique et un dispositif thermo électrique comprenant un tel module.
Description
Eléments, module et dispositif thermo électrique, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile La présente invention concerne un élément thermo électrique, un module thermo électrique et un dispositif thermo électrique, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile. Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des modules thermo électriques utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entrainée par le vilebrequin du moteur.
Il a déjà été développé par la titulaire des éléments thermo électriques de forme annulaire, empilés les uns au dessus des autres de manière concentrique. Le gradient de température permettant de générer le courant électrique est imposé entre deux de leurs faces cylindriques internes et externes. Cette disposition présente l'avantage de rééquilibrer les transferts de chaleur coté froid et coté chaud.
En effet, sachant que le coefficient d'échange coté gaz chaud est bien plus faible que coté liquide froid, il est nécessaire d'augmenter fortement la surface d'échange coté chaud pour améliorer le transfert de chaleur vers les anneaux thermoélectriques. Les gaz chauds échangent de la sorte de la chaleur avec la face externe de l'anneau.
Cette solution est cependant difficilement transposable pour des applications où l'on souhaite échanger la position des fluides (gaz chaud au centre, liquide froid sur le pourtour), car les échanges s'en trouveraient complètement déséquilibrés et les performances fortement réduites.
L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un élément thermo électrique, comprenant au moins deux ouvertures, dites première et deuxième ouvertures, la première ouverture étant configurée pour être en relation thermique avec une source chaude et la deuxième ouverture étant configurée pour être en relation thermique avec une source froide de température inférieure à celle du fluide chaud, ledit élément thermo électrique étant configuré pour générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre la première ouverture et la deuxième ouverture par la source chaude et la source froide.
Ainsi, l'élément thermo électrique de l'invention permet une circulation interne à l'élément thermo électrique des deux fluides de travail. Avec un élément thermo électrique de même forme et donc présentant le même encombrement, il est possible d'adapter les dimensions des ouvertures dans le but de mettre plus ou moins de surface de l'élément thermo électrique en contact thermique avec le fluide chaud ou le fluide froid, en fonction de l'application visée. Selon différents modes de réalisation de l'invention qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ladite source chaude est un fluide - ladite source froide est un fluide - la première ouverture et la deuxième ouverture sont traversantes ; - la première ouverture et la deuxième ouverture présentent chacune une section d'ouverture de contour fermé, - ladite section d'ouverture de la première ouverture est plus grande que la section d'ouverture de la deuxième ouverture ; - au moins une des ouvertures est circulaire ; - l'élément thermo électrique est cylindrique et/ou de forme oblongue ; - l'élément thermo électrique est de forme circulaire ; - l'élément thermo électrique est de forme oblongue allant en rétrécissant vers l'un de ses sommets. - l'épaisseur de l'élément thermo électrique est comprise entre 3 et 5 mm ; L'invention concerne aussi un module thermo électrique comprenant au moins un élément thermo électrique tel que décrit précédemment. Selon différents modes de réalisation de l'invention qui pourront être pris 5 ensemble ou séparément : - ledit module thermo électrique comprend au moins un premier tube de circulation de fluide en relation d'échange thermique avec une desdites ouvertures ; - ledit module comprend un deuxième tube de circulation de fluide en relation d'échange thermique avec une autre desdites ouvertures ; i.o - ledit module thermo électrique comprend une pluralité d'éléments thermo électriques, empilés les uns au dessus des autres de sorte que chacune des premières ouvertures et/ou chacune des deuxièmes ouvertures sont respectivement disposées en vis-à-vis ; - le module thermo électrique comprend au moins une électrode positionnée 15 entre deux éléments thermo électriques adjacent dans l'empilement, au niveau de la première ouverture et/ou au niveau de la deuxième ouverture ; - le module thermo électrique comprend une pluralité d'électrodes, deux éléments thermo électriques adjacent de l'empilement étant reliés entre eux par une seule desdites électrodes, lesdites électrodes étant disposés dans l'empilement 20 alternativement au niveau des premières ouvertures puis au niveau des deuxièmes ouvertures ; - la ou lesdites électrodes sont des bagues comprenant un orifice de section identique à la section de la première ouverture ou à la section de la deuxième ouverture ; 25 - le ou lesdits tubes sont brasés à l'élément thermo électrique ; - le ou lesdits tubes sont expansés dans l'élément thermo électrique ; - le ou lesdits tubes sont collés à l'élément thermo électrique. L'invention concerne encore un dispositif thermo électrique comprenant une 30 pluralité de modules thermo électriques tels que décrits précédemment, dans lequel les modules thermo électriques sont disposés, par exemple radialement, de sorte qu'ils forment un canal central.
Selon différents modes de réalisation de l'invention qui pourront être pris ensemble ou séparément : - lesdites premières ouvertures sont situées vers le centre du canal central et lesdites deuxièmes ouvertures sont situées vers l'extérieur du canal central, - le canal central comprend une vanne by-pass configurée pour répartir le fluide chaud entre les premières ouvertures et le canal central. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : - Les figures I a et 1 b illustrent respectivement en perspective et en vue de face, deux exemples de réalisation d'un élément thermo électrique conforme à l'invention ; - Les figures 2a et 2b illustrent schématiquement une vue de face des variantes de réalisation de l'élément thermo électrique illustré à la figure I a ; - La figure 3 illustre en perspective éclatée des composants d'un module thermo électrique conforme à l'invention comprenant une pluralité d'éléments thermo électriques ; - La figure 4 illustre en perspective un module thermo électrique intégrant les composants de la figure 3 ; - La figure 5 illustre en coupe transversale un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules thermo électriques selon l'invention - La figure 6 illustre en perspective le dispositif thermo électrique de la figure 5. Comme illustré aux figures I a, 1 b, 2a et 2b l'invention concerne un élément thermo électrique 3p, 3n apte à exploiter la différence de température entre un premier fluide, dit chaud, notamment des gaz d'échappement d'un moteur, et un second fluide, dit froid, notamment un liquide caloporteur d'un circuit de refroidissement, de température inférieure à celle du premier fluide. Le second fluide présente donc ici un coefficient d'échange thermique supérieur audit premier fluide.
Selon l'invention, l'élément thermo électrique 3p, 3n comprend au moins deux ouvertures 10, 11, dites première 10 et deuxième 11 ouvertures. Elles sont avantageusement de contour fermé, notamment circulaire. La première ouverture 10 est configurée pour être en relation thermique avec le fluide chaud et la deuxième ouverture 11 est configurée pour être en relation thermique avec le fluide froid. L'élément thermo électrique 3p, 3n est configuré pour générer un courant électrique sous l'action du gradient de température exercé par le fluide chaud et le fluide froid entre la première ouverture 10 et la deuxième ouverture 11.
De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites première et deuxième ouvertures 10, 11 soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Tellurures, de formule générale (Bi,Sb)2Te3 pour le type n et Bil -xSbxTe3 pour le type p ou encore de Siliciures, de formule générale Mg2(Si,Ge)xSnl -x pour le type n et MnSix pour le type p ou enfin de Skutterudites de formule générale CoSb3 pour le type n et FeSb3 pour le type p. Les ouvertures 10, 11 sont ici traversantes de sorte qu'elles peuvent recevoir zo des tubes de circulation de fluide comme nous le verrons dans la suite de la description. Elles définissent des faces internes 18 de l'élément thermo électrique 3p, 3n avec lesquels l'échange de chaleur se fait, il s'agit des faces actives de l'élément thermo électrique. On comprend ici que l'échange de chaleur entre le fluide chaud et l'élément thermo électrique 3p, 3n s'effectue au niveau de la face interne 18 de la 25 première ouverture 10 et l'échange de chaleur entre le fluide froid et l'élément thermo électrique 3p, 3n s'effectue au niveau de la face interne 18 de la deuxième ouverture 11. Le gradient de température permettant à l'élément thermo électrique 3p, 3n de générer un courant électrique est donc créé entre la face interne 18 de la première ouverture 10 et la face interne 18 de la deuxième ouverture 11. 30 Dans les modes de réalisation de l'élément thermo électrique 3p, 3n illustrés sur les figures 1 a, 1 b, 2a et 2b, l'élément thermo électrique 3p, 3n est cylindrique et comprend une première et une deuxième grandes faces planes 15, 16, en vis-à-vis, et dans lesquelles se trouvent les première et deuxième ouvertures 10, 11. Lorsque les ouvertures 10, 11 sont traversantes, elles traversent l'élément thermo électrique de sa première grande face plane jusqu'à sa deuxième grande face plane. L'élément thermo électrique comprend également une face latérale 17, définissant l'épaisseur e de l'élément thermo électrique 3p, 3n. Autrement dit, la face latérale 17 définit une périphérie de l'élément thermo électrique 3p, 3n reliant entre elles les deux grandes faces planes 15, 16. Selon un mode de réalisation illustré à la figure 2a, l'élément thermo électrique est de forme circulaire. La face latérale 17 est donc ici circulaire.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures la et 1 b, l'élément thermo électrique 3p, 3n est de forme oblongue. La face latérale 17 comprend plus précisément ici deux surfaces planes en vis-à-vis et parallèles entre elles, et deux surfaces courbées en vis-à-vis, reliant les deux surfaces planes. La forme oblongue de l'élément thermo électrique 3p, 3n permet de travailler avec des courants électriques beaucoup plus faibles que ceux utilisés avec une forme circulaire. Cette dernière caractéristique permet de minimiser les pertes par effet joule dans les contacts et les câbles de connexion électriques.
A isovolume de matière thermoélectrique, c'est-à-dire quand on augmente l'épaisseur e, la distance entre les première et deuxième ouvertures 10, 11, les performances électrique de l'élément thermo électrique augmentent avec l'augmentation de l'épaisseur e. Cependant, au-delà d'une certaine limite d'épaisseur e de l'élément thermo électrique 3p, 3n, la résistance mécanique de l'élément thermo électrique n'est plus assurée (la distance entre les première et deuxième ouverture 10, 11 est trop faible). Dans le cas d'un élément thermo électrique 3p, 3n de forme oblongue, une épaisseur de 4,5 mm a été choisie de manière à atteindre des performances électriques similaires à l'élément électrique de forme circulaire, c'est-à-dire environ 0.5W par élément thermo électrique, tout en assurant leur résistance mécanique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 2b, l'élément thermo électrique 3p, 3n est de forme oblongue allant en rétrécissant vers l'un de ses sommets. Autrement dit, il s'agit d'une section de forme ovoïde. La face latérale 17 comprend donc ici deux surfaces planes en vis-à-vis mais non parallèles entre elles, et deux surfaces courbées en vis-à-vis, reliant les deux surfaces planes. La première ouverture 10 et la deuxième ouverture 11 présentent chacune une section d'ouverture. Dans un premier mode de réalisation illustré à la figure 1 b, la section d'ouverture de la première ouverture 10 est identique à celle de la deuxième ouverture 11. Dans un autre mode de réalisation illustré sur les figures 1 a, 2a et 2b, la section d'ouverture de la première ouverture 10 est plus grande que la section d'ouverture de la deuxième ouverture 11. On favorise ainsi l'échange entre les éléments thermo électriques 3p, 3n et le fluide présentant le coefficient d'échange thermique le plus faible, c'est-à-dire le fluide chaud, ici, les gaz d'échappement.
Comme illustré aux figures 3 et 4, l'invention concerne aussi un module thermo électrique 20 comprenant au moins un élément thermo électrique 3p, 3n, ici une pluralité d'éléments thermo électriques 3p, 3n tels que décrit précédemment. Les éléments thermo électriques 3p, 3n sont ici empilés les uns au dessus des autres de sorte que chacune des premières ouvertures 10 et chacune des deuxièmes ouvertures 11 sont disposées en vis-à-vis. Autrement dit, les premières ouvertures 10 sont coaxiales entre elles et les deuxièmes ouvertures 11 sont coaxiales entre elles. Les éléments thermo électriques 3p, 3n, sont situés de tel sorte que la première grande face 15 d'un élément thermo électrique est en vis-à-vis de la deuxième grande face 16 d'un élément thermo électrique adjacent et inversement. Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments 3p d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments 3n d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température.
Lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n sont disposés de sorte que les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D parallèle à l'empilement d'éléments thermo électriques. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces grandes faces, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité électrique. Lesdits éléments thermo électriques 3p, 3n sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N et ledit module 20 est configuré pour permettre une circulation de courant entre les éléments thermo électriques d'une même paire et une circulation de courant entre les éléments thermo électriques voisins appartenant à des paires adjacentes. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques 3p, 3n disposés les uns à côtés des autres selon la direction d'empilement D comme illustré par les flèches référencées 100 sur la figure 4. Le module thermo électrique 20 comprend pour cela au moins une électrode 30 positionnée entre deux éléments thermo électriques 3p, 3n adjacent dans l'empilement. Les électrodes 30 sont donc situées sur les grandes faces planes 15, 16 des éléments thermo électrique. Deux éléments thermo électriques adjacents sont reliés entre eux par une seule électrode 30. Les électrodes 30 sont situées au niveau de la première ouverture 10 ou au niveau de la deuxième ouverture 11.
Plus précisément, les électrodes 30 sont ici disposées alternativement au niveau de deux premières ouvertures 10 puis au niveau de deux deuxième ouvertures 11 comme visible sur la figure 3 pour permettre la circulation en série entre les éléments thermo électriques 3p, 3n d'un type donné d'une même paire et ceux adjacents appartenant à deux paires voisines. On comprend ici qu'un élément thermo électrique 3p, 3n est relié avec un premier élément thermo électrique de l'autre type par une électrode 30 située au niveau de leur première ouverture 10 et à un deuxième élément thermo électrique de l'autre type par une électrode 30 située au niveau de leur deuxième ouverture 11.
La ou lesdites électrodes 30 sont, par exemples, des bagues comprenant un orifice de section identique à la section de la première ouverture 10 ou à la section de la deuxième ouverture 11.
En outre, lesdites électrodes 30 laissent libre les faces internes 18 desdits éléments thermo électriques. On comprend qu'ainsi, ils ne forment pas d'écran thermique entre les faces internes 18 et les sources chaudes et/ou froides.
Le module thermo électrique 20 comprend au moins un premier tube 31 de circulation de fluide en relation d'échange thermique avec une desdites ouvertures 10, 11, ici la première ouverture 10. Il s'agit donc du tube de circulation du fluide chaud. Il comprend en outre ici un deuxième tube 32 de circulation de fluide en relation d'échange de fluide avec une autre desdites ouvertures 10, 11, ici la deuxième ouverture 11. Il s'agit donc du tube de circulation du fluide froid. Pour solidariser l'ensemble et minimiser les résistances thermiques entre les tubes et les éléments thermo électriques 3p, 3n il est possible de réaliser l'assemblage par brasage, gonflage des tubes ou simple collage. Autrement dit, le ou les tubes 31, 32 sont par exemple brasés aux éléments thermo électriques 3p, 3n du module thermo électrique 20. Selon une variante de l'invention, ils sont expansés dans les éléments thermo électriques 3p, 3n du module thermo électrique 20. Selon une autre variante de l'invention, ils sont collés aux éléments thermo électriques 3p, 3n du module thermo électrique 20.
L'invention concerne encore un dispositif thermo électrique 40 tel qu'illustré sur les figures 5 et 6. Le dispositif thermo électrique 40 comprend une pluralité de modules thermo électriques 20 tels que décrits ci-dessus, disposés radialement de sorte qu'ils forment une couronne définissant un canal central 45.
Le canal central 45 est ici un canal de circulation du fluide chaud qui circule à l'intérieur du canal central selon la direction des flèches référencées 110 sur la figure 6. Le dispositif thermo électrique 40 comprend une boite collectrice d'entrée 51 du fluide chaud destinée à guider le fluide chaud vers le canal central 45 et/ou vers les modules thermo électriques 20, en particulier vers les premiers tubes 31 des modules électriques 20, et une boite collectrice de sortie 52 du fluide chaud guidant le fluide chaud à la sortie du canal central 45. Le dispositif thermo électrique 40 comprend également une boite collectrice d'entrée 53 du fluide froid destinée à guider le fluide froid à l'intérieur des modules thermo électriques 20 selon la direction 120, et en particulier à l'intérieur des deuxièmes tubes 32, et une boite collectrice de sortie 54 du fluide froid guidant le fluide froid à l'extérieur du dispositif thermo électrique 40 après avoir traversée les modules thermo électriques 20 selon la direction 121.
Les premières ouvertures 10 sont situées ici vers le centre du canal central 45 et les deuxièmes ouvertures 11 sont situées vers l'extérieure du canal central 45. Ainsi, les premiers tubes 31 de circulation du gaz sont situés vers l'intérieur du canal central 45 et les deuxièmes tubes 32 de circulation du fluide de refroidissement vers l'extérieur du canal central 45. La boite collectrice d'entrée 51 du fluide chaud comprend avantageusement une vanne by-pass 55 configurée pour répartir le fluide chaud entre les premiers tubes 31 et le canal central 45. Elle permet de répartir les gaz d'échappement lorsque la température est trop haute ou/et la perte de charge trop importante. Lorsque la vanne by-pass 55 est fermée, le canal central 45 de circulation est obturé, les gaz se repartissent sur la périphérie du dispositif thermo électrique 40 et traversent les premiers tubes 31.
Lorsque la vanne by-pass 55 est ouverte, le canal central 45 de circulation est ouvert, les gaz circulent principalement par le centre du dispositif thermo électrique 40. Le débit dans les premiers tubes 31 est quasiment nul. Puisqu'une partie des éléments thermo électriques, située à proximité des premières ouvertures des éléments thermo électriques, est orientée vers le canal central 45, une partie de l'énergie thermique des gaz continuera cependant à être convertie en électricité.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Elément thermo électrique (3p, 3n), comprenant au moins deux ouvertures (10, 11), dites première et deuxième ouvertures, la première ouverture (10) étant configurée pour être en relation thermique avec une source chaude et la deuxième ouverture (11) étant configurée pour être en relation thermique avec une source froide de température inférieure à celle de la source chaude, ledit élément thermo électrique (3p, 3n) étant configuré pour générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre la première ouverture (10) et la deuxième ouverture (11) par la source chaude et la source froide.
- 2. Elément thermo électrique (3p, 3n) selon la revendication 1, dans lequel la première ouverture (10) et la deuxième ouverture (11) sont traversantes.
- 3. Eléments thermo électrique (3p, 3n) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première ouverture (10) et la deuxième ouverture (11) présentent chacune une section d'ouverture de contour fermé, ladite section d'ouverture de la première ouverture (10) étant plus grande que la section d'ouverture de la deuxième ouverture (11).
- 4. Elément thermo électrique (3p, 3n) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une des ouvertures (10, 11) est circulaire.
- 5. Elément thermo électrique (3p, 3n) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément thermo électrique (3p, 3n) est cylindrique et/ou de forme oblongue.
- 6. Module thermo électrique (20) comprenant au moins un élément thermo électrique (3p, 3n) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
- 7. Module thermo électrique (20) selon la revendication 6, dans lequel ledit module thermo électrique (20) comprend au moins un premier tube (30, 31) decirculation de fluide en relation d'échange thermique avec une desdites ouvertures (10, 11).
- 8. Module thermo électrique (20) selon la revendication 7, dans lequel ledit module (20) comprend un deuxième tube (30, 31) de circulation de fluide en relation d'échange thermique avec une autre desdites ouvertures (10, 11).
- 9. Module thermo électrique (20) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel ledit module thermo électrique (20) comprend une pluralité d'éléments thermo électriques (3p, 3n), empilés les uns au dessus des autres de sorte que chacune des premières ouvertures (10) et/ou chacune des deuxièmes ouvertures (11) sont respectivement disposées en vis-à-vis.
- 10. Module thermo électrique (20) selon la revendication 9, dans lequel le module thermo électrique (20) comprend au moins une électrode (30) positionnée entre deux éléments thermo électriques (3p, 3n) adjacent dans l'empilement, au niveau de la première ouverture (10) et/ou au niveau de la deuxième ouverture (11).
- 11. Module thermo électrique (20) selon la revendication 10, dans lequel le module thermo électrique (20) comprend une pluralité d'électrodes (30), deux éléments thermo électriques (3p, 3n) adjacent de l'empilement étant reliés entre eux par une seule desdites électrodes (30), lesdites électrodes (30) étant disposés dans l'empilement alternativement au niveau des premières ouvertures (10) puis au niveau des deuxièmes ouvertures (11).
- 12. Dispositif thermo électrique (40) comprenant une pluralité de modules thermo électriques (20) selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel les modules thermo électriques (20) sont disposés de sorte qu'ils forment un canal central (45).
- 13. Dispositif thermo électrique (40) selon la revendication 12, dans lequel les modules thermo électriques (20) sont disposés radialement.
- 14. Dispositif thermo électrique (40) selon la revendication 13, dans lequel lesdites premières ouvertures (10) sont situées vers le centre du canal central (45) et lesdites deuxièmes ouvertures (11) sont situées vers l'extérieure du canal central (45).
- 15. Dispositif thermo électrique (40) selon la revendication 14, dans lequel le dispositif thermo électrique comprend une vanne by-pass (55) configurée pour répartir le fluide chaud entre les premières ouvertures (10) et le canal central (45).
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