FR3027157A1 - Module thermoelectrique fonctionnant a des temperatures ambiantes pour une production d'energie electrique utilisable dans des applications de domotique ou pour l'industrie automobile - Google Patents

Abstract

Module thermoélectrique permettant de générer une force électromotrice importante capable d'alimenter un système de régulation de température en utilisant les échanges d'entropie avec le milieu extérieur, ces échanges étant la conséquence de zones de températures différentes et distantes l'une de l'autre, cette distance pouvant être de l'ordre de plusieurs mètres voire davantage. Pour cela, le module thermoélectrique comprend au moins deux jonctions de thermocouple réalisées à partir de deux composés possédant des coefficients de Seebeck très différents et tel que les jonctions sont répartis en deux blocs A et B distincts et distants l'un de l'autre, ces blocs étant reliés par des fils de liaison qui génèrent avec les fils des thermocouples des forces électromotrices nulles ou de très faibles valeurs. De plus, les thermocouples d'un bloc sont associés aux thermocouples de l'autre bloc de manière à ce que les composés de type 1 des thermocouples du bloc A soient reliés par des fils de liaison aux composés de type 1 des thermocouples du bloc B et que les composés de type 2 des thermocouples du bloc A soient reliés par des fils de liaison aux composés de type 2 des thermocouples du bloc B. Les applications sont dans le domaine de la domotique, par exemple, dans une maison, une façade dont l'exposition au soleil soit très faible et qui peut servir de zone froide reliée à une zone chaude comme une pièce de la maison par un module thermoélectrique, il est possible d'obtenir une force électromotrice capable de faire fonctionner tout système de production de chaud ou de froid, comme une pompe à chaleur à titre d'exemple par l'intermédiaire d'une régulation de température. Ainsi, quand l'extérieur de la maison est à une température inférieure à celle de l'intérieur le courant circule de l'extérieur vers l'intérieur et la régulation de température indique à la pompe à chaleur de produire de la chaleur. Bien entendu, dans le cas inverse, c'est à dire si l'extérieur est plus chaud que l'intérieur, le sens du courant délivré par le module thermoélectrique sera inversé et la régulation de température indiquera à la pompe à chaleur de produire du froid à l'intérieur de la maison. De la même manière, dans le cas d'une automobile, il est possible de trouver des zones chaudes ou froides afin de réguler la température interne de l'habitacle.

Description

La présente invention concerne un dispositif, du type thermocouple, sensible à un gradient de température qui provoque une dissipation de puissance électrique dans le système, cette dissipation interne étant représentative des échanges d'entropie avec le milieu extérieur. Depuis le début des années 1990, un regain d'intérêt pour la thermoélectricité est apparu en raison de la volonté de développer des sources d'énergie alternatives. Dans ce but, la Commission Européenne a proposé la part des énergies renouvelables à 20 % de la consommation globale de l'UE d'ici 2020. Et parmi ces énergies renouvelables, la thermoélectricité peut jouer un rôle. Le plus petit composant d'un élément thermoélectrique est le thermocouple. Il se compose de deux conducteurs électriques de coefficients Seebeck très différents afin de générer une tension thermoélectrique la plus haute possible. L'application principale des thermocouples est la mesure des températures. Mais d'autres matériaux sont apparus principalement pour des applications d'échange de chaleur sous l'effet d'une force électromotrice. Il s'agit du tellurure de bismuth avec dopages de type N et P, ce matériau étant le plus adapté à température ambiante. Il se présente sous la forme de blocs de semi-conducteurs connectés à leurs extrémités avec du cuivre. D'autres matériaux existent ou seront découverts mais l'invention concerne principalement la disposition des thermocouples quelque soit la composition de ces derniers. Cette disposition sera nommée module thermoélectrique. Dans un thermocouple, la force électromotrice est délivrée par les échanges d'entropie avec l'extérieur. Elle s'écoule de la zone la plus froide vers la zone la plus chaude du gradient de température et sa valeur absolue dépend des matériaux constitutifs du thermocouple qui sont caractérisé par un coefficient appelé coefficient de Seebeck. Si SA et SB représente les coefficients de Seebeck de ces matériaux et T1 et T2, les valeurs de température des zones chaude et froide, la valeur de la force électromotrice délivrée V est égale à : (SA - SB) x (T1-T2) = SAB x A T Or, il peut être intéressant d'utiliser des zones de températures distantes l'une de l'autre, cette distance pouvant être de l'ordre de plusieurs mètres voire davantage. Par exemple, dans une maison, il est parfois possible de trouver une façade dont l'exposition au soleil soit très faible, cette façade pouvant servir de zone froide. En utilisant comme zone chaude une pièce de la maison et en reliant cette zone chaude à la zone froide extérieure par un module thermoélectrique, il est possible d'obtenir une force électromotrice capable de faire fonctionner tout système de production de chaud ou de froid, comme une pompe à chaleur à titre d'exemple par l'intermédiaire d'une régulation de température. Ainsi, quand l'extérieur de la maison est à une température inférieure à celle de l'intérieur le courant circule de l'extérieur vers l'intérieur et la régulation de température indique à la pompe à chaleur de produire de la chaleur. Bien entendu, dans le cas inverse, c'est à dire si l'extérieur est plus chaud que l'intérieur, le sens du courant délivré par le module 3027157 -2 thermoélectrique sera inversé et la régulation de température indiquera à la pompe à chaleur de produire du froid à l'intérieur de la maison. De la même manière, dans le cas d'une automobile, il pourrait être possible d'utiliser le soubassement de l'automobile comme source de température froide ou chaude selon les 5 circonstances et l'intérieur comme source chaude ou froide et de relier ces deux sources par un module thermoélectrique. Dès que le système de régulation de température détecterait la nécessité de chauffer ou refroidir le volume interne de l'automobile, il pourrait utiliser la force électromotrice produite par le module thermoélectrique pour faire fonctionner une pompe à chaleur assurant ainsi de manière gratuite le confort des occupants de l'automobile.

10 Description de l'invention. Selon la figure 1, trois thermocouples T1, T2 et T3 (le nombre 3 étant uniquement à titre descriptif car l'invention doit comporter un grand nombre de thermocouples) sont disposés à l'intérieur d'un bloc A qui peut être constitué de résine ou d'un thermoplastique ou autre matériau 15 d'enrobage. Ces trois thermocouples sont réalisés à partir de l'alliage fer-constantan (noté type 1 et de couleur grise dans la figure 1) pour une branche et en cuivre (noté type 2 et de couleur noire dans la figure 1) pour l'autre branche. Ces deux matériaux sont indiqués à titre d'exemple car l'invention est indépendante de la nature des matériaux constitutifs des thermocouples. Un bloc B est réalisé de la même manière que le bloc A. Dans ce cas le bloc B comporte deux 20 thermocouples. Tous les matériaux de ce bloc B sont identiques à ceux du bloc A. Chaque thermocouple du bloc A est relié à un thermocouple du bloc B par l'intermédiaire de fils de liaison qui sont obtenus à partir de matériaux identiques à ceux des thermocouples de manière à ce que le fer-constantan d'un thermocouple du bloc A soit relié au fer-constantan d'un thermocouple du bloc B par un fil de liaison en fer-constantan et de même pour le cuivre. Ces fils 25 de liaison peuvent être très longs ou très courts, leurs longueurs étant dépendante uniquement de contraintes économiques. En effet, dans le cas du chauffage d'une maison par exemple, la distance sera de quelques mètres, mais on peut imaginer des distances bien plus importantes, de l'ordre du kilomètre voire davantage. Cet ensemble de deux blocs A et B et de leurs fils de liaison est appelé module 30 thermoélectrique. Ainsi, la source froide ou chaude des thermocouples est située soit du côté du bloc A soit du côté du bloc B et le module est capable de délivrer une force électromotrice en utilisant des sources froides et chaudes qui peuvent être distantes l'une de l'autre de plusieurs mètres, comme dans le cas d'une maison par exemple. Dans cet exemple, les fils de liaison sont de même nature que les fils des thermocouples. Mais, 35 selon une variante, il peut être choisi pour ces fils de liaison des matériaux dont les coefficients de Seebeck sont voisins de ceux du thermocouple afin que la jonction ainsi réalisée délivre une force 3027157 3 électromotrice égale à zéro ou en tout cas, très faible, car elle pourrait s'opposer à la force électromotrice principale délivrée par le gradient de température entre les blocs A et B. Il sera donc choisi des fils de liaison qui génèrent avec les fils des thermocouples des forces électromotrices nulles ou de très faibles valeurs.

5 Le nombre de fils de liaison sera important si le nombre de thermocouples est élevé. Pour réduire ce nombre de fils, l'invention prévoit un montage en parallèle des thermocouples pour réduire le nombre de connexions. Dans la figure 2, les thermocouples T1, T2 et T3 du bloc A sont montés en parallèle, la première branche du thermocouple T1 servant de borne.

10 Pour le bloc B, les deux thermocouples sont montés en parallèle. Un fil unique permet alors de relier les branches de type 1 et de type 2 des blocs A et B. le nombre de fil de liaison est donc ramené à deux. En cas de grand nombre de thermocouples dans le blocs A et B, et si les tensions sont trop importantes, les associations des thermocouples du blocs A et B pourraient être de type série 15 parallèle. Dans ce cas, le nombre de fils de liaison serait égal au nombre de séries des thermocouples. La figure 2 présente également les raccordements entre les fils de liaison. En effet, pour un montage facile, il est important que les fils de liaisons puissent être raccordés entre eux afin de permettre la séparation entre les blocs A et B. L'invention prévoit que ce raccordement s'effectue à 20 l'aide de moyens conventionnels tel les dominos électriques (barrettes de connexion) ou des bornes ou autres, à la condition que le matériau de ce moyen conventionnel soit identique au matériau du thermocouple. Comme variante, il peut être choisi des matériaux dont les coefficients de Seebeck sont peu différents de ceux du thermocouple. Une autre variante consiste à utiliser des matériaux classiques à la condition que ces derniers soient revêtus par les matériaux du thermocouple de 25 manière à ce que la surface de contact ne fonctionne pas comme une jonction. Les matériaux du revêtement peuvent être également des matériaux qui ont des coefficients de Seebeck peu différents de ceux du thermocouple. Exemples de réalisation à partir de thermocouples fer-constantan/cuivre : 30 Réalisation d'un élément de module thermoélectrique : L'utilisation de ce type de thermocouple permet d'obtenir pour une soudure froide à 0°C et une soudure chaude à 10 °C une force électromotrice de 0,391 mV. On voit que pour obtenir une tension de 220 V il faudrait environ 560 000 thermocouples dans le bloc A ainsi que dans le bloc B. Pour des utilisations par exemple domestique, il est possible de répartir ce nombre de 35 thermocouples sur une surface qui peut être importante, par exemple 1 m x 1 m ou 2 m x 2 m ou autres dimensions de cet ordre sans que pour autant la longueur soit égale à la largeur.

3027157 4 Une manière de réaliser des branches de thermocouples en fer-constantan/cuivre est d'utiliser des dépôts en phase vapeur (CVD). Cette méthode a l'avantage de permettre de dépôts réguliers et de basse dimensionnalité (quelques micromètres pour l'épaisseur). De plus, elle permet une bonne liaison entre la branche du thermocouple et le fil de liaison.

5 La technologie du schoopage permet également de faire des dépôts à la condition que les matériaux des branches du thermocouple soient tréfilables. La figure 3 présente la manière dont l'invention prévoit de réaliser un module thermoélectrique. Ce module comprend un support des thermocouples dont la composition est par exemple un 10 ABS, ou encore un polycarbonate, ou encore un polypropylène ou tout autre plastique capable de supporter les contraintes des dépôts de type CVD ou schoopage. Sur ce support sont aménagés des rainures pour les dépôts de type 1 et les dépôts de type 2 qui se croisent selon un angle de 90°. La valeur de cet angle peut être modifiée afin d'améliorer le nombre des thermocouples présents sur le support. Les dimensions de ce dernier dépendent de l'enceinte dans laquelle seront réalisés les 15 dépôts de CVD. A titre d'exemple, la figure 3 présente un support dont les dimensions extérieures sont 75 mm par 75 mm et par 16 mm. Dans ce support il est aménagé deux passages appelés « fil de liaison de type 1 » et « fil de liaison de type2 » qui sont perpendiculaires à chaque rainure de type 1 et de type 2. Ces passages doivent recevoir les fils de connexion des thermocouples. Ces fils sont de même nature que les thermocouples qui leur sont perpendiculaires.

20 Afin d'obtenir une compacité importante, le support est symétrique afin de doubler de manière simple le nombre de thermocouples. Pour la réalisation de thermocouples, l'invention prévoit d'utiliser une machine de dépôts CVD. Le support avec toutes ces rainures reçoit un cache qui permet de faire un dépôt sur seul type de rainures, les autres étant cachées. Ce cache peut avoir l'aspect d'un peigne par exemple, pour 25 lequel chaque dent recouvre le sommet d'une rainure. Lors du dépôt du premier métal, le fond des rainures se remplit de ce métal tandis que le fils de liaison reçoit lui aussi le dépôt CVD qui va engendrer une sur-épaisseur qui empêchera son déplacement. Le temps, la température, des conditions du dépôt sont déterminés pour obtenir une épaisseur d'au moins un micron et en tout état de cause, inférieure à la hauteur de la rainure. Une fois le premier dépôt réalisé, le cache est 30 tourné de 90°, puis ont réalise le deuxième dépôt qui aura des dimensions identiques au premier dépôt. Ainsi, de la même manière que le premier fil de liaison, le deuxième fil de liaison recevra une sur épaisseur qui l'empêchera de se déplacer. Quand deux rainures se coupent, elles délimitent une zone qui reçoit les deux dépôts, définissant ici une fonction de thermocouple. Il y a donc autant de thermocouples que d'endroits 35 où les rainures se coupent tels que représentés sur la figure 3.

3027157 5 Dans le but de montrer l'intérêt de cette méthode de réalisation de thermocouples, le support de l'exemple de la figure 3 est côté à partir d'une dimension de 75 mm. Le support des thermocouples possédant 6 rainures de type 1 et 6 rainures de type 2, et si type 1 et type 2 correspondent respectivement à fer-constantan et à cuivre, il se forme 36 jonctions 5 de thermocouples lors des dépôts de fer-constantan et de cuivre ainsi que représenté sur la figure 5. Le nombre de jonctions dépend des dimensions du support. Les valeurs choisies dans la figure 3 sont données à titre d'exemple, mais les valeurs de la largeur des rainures pourraient être beaucoup plus faibles, augmentant ainsi considérablement le nombre de thermocouples. Dans chaque passage des fils de liaison, un fil de fer constantan de diamètre 1 mm ainsi qu'un 10 fil de cuivre de 1 mm sont disposés dans leurs emplacements en respectant l'identité entre ce fil de liaison et le dépôt du métal par l'intermédiaire d'une phase vapeur. Ce dépôt peut être de type CVD ou plus simplement par schoopage des fils respectifs. Selon cette technologie, la source de chaleur peut être une flamme oxhydrique ou un plasma. Afin de limiter l'oxydation, le dépôt peut se réaliser à l'intérieur d'une enceinte sous vide ce qui a pour 15 avantage supplémentaire d'accroitre la vitesse des particules en raison de l'absence d'atmosphère. Pour séparer les dépôts, un cache sous forme de peigne vient isoler les rainures du deuxième métal en s'imbriquant si nécessaire à l'intérieur de ces dernières. Afin d'éviter les problèmes d'agression chimique des matériaux des thermocouples par la phase vapeur environnante, cet ensemble est enrobé par une résine ou un thermoplastique ou une 20 cire. Seules, les alvéoles pour barrettes sont protégées de ce dépôt afin de permettre la liaison entre ces éléments de module. Pour relier ces éléments de module entre eux, l'invention prévoit d'utiliser des barrettes qui sont représentées sur la figure 4. Elles sont en des matériaux identiques à ceux des fils de liaison ou en des matériaux dont les coefficients de Seebeck sont peu différents de ceux du thermocouple ou 25 en des matériaux classiques à la condition que ces derniers soient revêtus par les matériaux du thermocouple de manière à ce que la surface de contact ne fonctionne pas comme une jonction. Les matériaux de ces revêtements peuvent être également des matériaux qui ont des coefficients de Seebeck peu différents de ceux du thermocouple. Ces barrettes viennent s'insérer dans les alvéoles de la figure 3.

30 La longueur des fils de liaison en cuivre et en fer constantan est calculée pour que ces derniers tangentes avec la surface extérieure du support des thermocouples. Les trous réalisés dans la barrette sont d'un diamètre légèrement supérieurs à celui des fils de liaison et l'épaisseur de la barrette est égale à la profondeur de l'alvéole. Les barrettes ensuite sont disposées dans les alvéoles, les fils de liaison pénétrant dans les 35 passages prévus dans ces barrettes de manière à assurer un contact électrique.

302 715 7 6 La longueur des barrettes dépend du nombre d'éléments de modules que l'on souhaite assembler. La figure 6a présente une manière d'assembler entre eux les supports des thermocouples. Ces derniers sont orientés de manière à mettre en contact les barrettes de composition identiques. Ces 5 dernières sont ensuite reliées entre elles de manière à obtenir des montages de type de série ou parallèle. (Figure 6b) Cette liaison entre les barrettes doit se faire à partir de matériaux identiques à ceux des fils de liaison ou en des matériaux dont les coefficients de Seebeck sont peu différents de ceux du thermocouple ou en des matériaux classiques à la condition que ces derniers soient revêtus par les 10 matériaux du thermocouple de manière à ce que la surface de contact ne fonctionne pas comme une jonction. Les matériaux de ces revêtements peuvent être également des matériaux qui ont des coefficients de Seebeck peu différents de ceux du thermocouple. Tel que disposé, le nombre assemblé est très élevé. Cet assemblage de supports des thermocouples peut être disposé à l'intérieur d'un cadre métallique de manière à assurer une 15 solidité importante de l'ensemble. Afin de rendre étanche cet ensemble, il sera enrobé par une résine ou une cire résistante à des températures inférieures à 100 °C ou un thermofusible afin d'obtenir une étanchéité complète par rapport à l'eau sous toutes ses formes. On réalise ainsi un module complet qui se termine par deux fils de liaison. Un module identique est réalisé de manière à former les blocs A et B de la figure 1.

20 Les blocs A et B peuvent être séparés par une distance variable comprise entre quelques centimètres et quelques kilomètres. Pour assurer le contact électrique entre les deux fils de liaison de chaque bloc A et B, il sera utilisé des moyens classiques tel que dominos ou autres dans la mesure ou les matériaux des ces moyens classiques sont identiques à ceux des fils de liaison ou en des matériaux dont les 25 coefficients de Seebeck sont peu différents de ceux du thermocouple ou que ces matériaux classiques soient revêtus par les matériaux du thermocouple de manière à ce que la surface de contact ne fonctionne pas comme une jonction. Les matériaux de ces revêtements peuvent être également des matériaux qui ont des coefficients de Seebeck peu différents de ceux du thermocouple. Parmi ces moyens classiques, on peut inclure des relais commandés ou non.

30 L'élément de module présente des dimensions de 75 mm X 75 mm X 16 mm et comporte 36 X 2= 72 thermocouples. Pour obtenir par exemple 100000 thermocouples, il faudra 1388 éléments de modules. Selon un mode d'assemblage de ces éléments de module tel que décrit à titre d'exemple dans les figure 6a et 6b, un empilement de 62 éléments de module possède une hauteur de 1000 mm 35 environ avec 75 mm X 75 mm pour les autres dimensions.

3027157 7 Le nombre de jonctions de cet empilement d'un mètre de haut est de 72 * 62 soit 4464. Avec 4 empilements tel que représentés dans la figure 6a le nombre de thermocouples est de 17856. Avec 6 fois ce schéma d'empilement (figure 6b) le nombre de jonctions est de 107 136. Les dimensions hors tout d'un bloc de type A possédant 107 136 jonctions seront de : 5 hauteur 1000 m épaisseur 75 mm x2 = 150 mm longueur : 75 mm * 6 = 450 mm Un bloc de type B identique au bloc de type A ci dessus sera alors réalisé. Ces dimensions sont arrondies et présentées à titre d'exemple car elles pourraient être 10 adaptées à leurs futures utilisations en modifiant la hauteur ou en disposant des empilement en deux couches. Il est donc envisageable de disposer par exemple sur la face nord d'une maison, un bloc de type A comportant au moins 100000 thermocouples et de relier ce bloc à un deuxième bloc de type B situé à l'intérieur de la maison par l'intermédiaire des fils de liaison conformes à l'invention.

15 Pour un delta de température de 10 °C, la tension délivré dépendra de l'assemblage des éléments de module. A titre d'exemple, si tous les éléments de module étaient disposés en série, la tension serait de 391 volts.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Module thermoélectrique permettant de générer une force électromotrice importante sous l'effet d'une différence de température d'au moins 1 °C dans une gamme de température comprise entre -20°C et 100 °C comprenant au moins deux jonctions de thermocouple réalisées à partir de deux composés possédant des coefficients de Seebeck très différents et tel que : 10 Le module thermoélectrique comprend deux blocs A et B distincts, Les blocs A et B sont distants l'un de l'autre et reliés par des fils de liaison qui génèrent avec les fils des thermocouples des forces électromotrices nulles ou de très faibles valeurs. les thermocouples d'un bloc sont associés aux thermocouples de l'autre bloc de 15 manière à ce que les composés de type 1 des thermocouples du bloc A soient reliés par des fils de liaison aux composés de type 1 des thermocouples du bloc B et que les composés de type 2 des thermocouples du bloc A soient reliés par des fils de liaison aux composés de type 2 des thermocouples du bloc B.
2. 2) Module thermoélectrique selon la revendication 1, en ce que dans un bloc les 20 thermocouples peuvent être regroupés selon une configuration en parallèle, c'est à dire que le composé de type 1 d'un thermocouple T1 du bloc A ou du bloc B est relié au composé de type 1 d'un autre thermocouple T2 du même bloc et que le composé de type 2 de ce thermocouple T1 du bloc A ou du bloc B est relié au composé de type 2 de cet autre thermocouple T2 du même bloc. 25
3. 3) Module thermoélectrique selon la revendication 1 en ce que les fils de liaison entre les blocs A et B sont de même nature que les composés des thermocouples.
4. 4) Module thermoélectrique selon la revendication 1 en ce que les fils de liaison entre les blocs A et B sont de compositions différentes de celle des thermocouples mais avec des coefficients de Siebeck peu différends de ceux des thermocouples. 30
5. 5) Module thermoélectrique selon la revendication 1 en ce que les fils de liaison entre les blocs A et B sont de natures différentes mais revêtus par des matériaux identiques à ceux des thermocouples
6. 6) Module thermoélectrique selon la revendication 1 en ce que les fils de liaison entre les blocs A et B sont de natures différentes mais revêtus par des matériaux possédant des 35 coefficients de Siebeck peu différends. 302 715 7 9
7. 7) Module thermoélectrique selon la revendication 1 en ce que les thermocouples peuvent être réalisés à partir de fils ou de couches superposées.
8. 8) Module thermoélectrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un support de thermocouples comprenant des rainures de deux types, tel que pour chaque type, les rainures sont parallèles et que les deux types de rainures se croisent selon un angle compris entre let 90 °C.
9. 9) Module thermoélectrique selon la revendication 8 en ce que le premier type de rainure reçoit le dépôt d'un matériau dont le coefficient de Siebeck est très différent de celui du matériau déposé dans le deuxième type de rainure.
10. 10) Module thermoélectrique selon la revendication 9 caractérisé en ce que le point de croisement des deux types de rainures définies une jonction de thermocouple.
11. 11) Module thermoélectrique selon la revendication 1 capable d'entraîner un système fonctionnant dans le domaine de la domotique,
12. 12) Module thermoélectrique selon la revendication 1 capable d'entraîner un système fonctionnant dans le domaine de l'industrie automobile, 25 30 35