FR3033085A1 - Dispositif thermo electrique, notamment destine a generer un courant electrique dans un vehicule automobile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules thermo électriques (2), chaque module thermo électrique (2) comprenant au moins un élément thermo électrique (5), permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, ledit dispositif comprenant au moins un coin (3) venant en appui sur deux desdits modules thermo électriques (5), adjacents, pour maintenir lesdits modules (2) autour d'un axe.

Description

-1 Dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif thermo électrique. Elle est notamment destinée à générer un courant électrique dans un véhicule automobile. Il a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques, également appelés générateurs thermo électriques ou TEG selon l'acronyme anglo-saxon « ThermoElectric Generator », 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. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid. 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.

Une contrainte rencontrée avec les dispositifs connus est qu'ils nécessitent qu'un très bon contact soit assuré entre les éléments thermo électriques et les tubes de manière à assurer une conduction satisfaisante entre eux. Il faut ainsi disposer de tubes présentant une parfaite planéité et un excellent état de surface impactant le coût de revient du dispositif.

Plus la puissance électrique à fournir est forte, plus le nombre de tubes à empiler doit être grand et/ou plus la surface des tubes à employer doit être 3033085 2 large, compliquant encore la bonne application des éléments thermo électriques sur les tubes. Une première solution, consistant à renforcer le contact grâce à des tirants externes exerçant un effort de compression sur l'empilement de tubes, 5 a été testée. Cette solution nécessite cependant d'utiliser des tubes ne risquant pas de s'écraser sur eux-mêmes sous l'effet de cet effort, conduisant à une surconsommation de matière. Outre le fait que la qualité du contact assuré reste insuffisante, notamment en raison de la disparité de dimension des éléments thermo électriques, le nombre important de points de serrage 10 complique l'assemblage et empêche une compacité optimale des éléments thermo électriques. Une telle solution est en outre réservée à des configurations dans lesquelles les tubes sont empilés les uns au dessus des autres, ce qui limite les possibilités d'intégration dans une ligne d'échappement d'un véhicule automobile.

15 Une seconde solution consiste à utiliser de grandes surfaces élémentaires de compression telles que des ailettes. Toutefois, cette solution ne permet pas d'assurer un serrage homogène sur l'ensemble des éléments thermo électriques. En effet, afin d'assurer le serrage, il est nécessaire d'appliquer des forces de serrage importantes et des déformations des 20 surfaces planes apparaissent au cours du temps. On connait également des dispositifs thermo électriques de configuration cylindrique comprenant un anneau support chemisant une conduite de circulation des gaz d'échappement et sur lequel sont solidariser des éléments thermo électriques, lesdits éléments thermo électriques étant solidarisés sur la 25 paroi externe dudit anneau, et des seconds tubes destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, lesdits second tubes s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe longitudinal de la conduite de circulation des gaz d'échappement. Afin de procurer un bon serrage de l'anneau sur la conduite de 30 circulation des gaz d'échappement, ledit anneau est avantageusement déformable. Néanmoins, cet anneau procure une résistance thermique 3033085 3 supplémentaire qui grève le rendement des éléments thermo électriques et il ne permet pas de rattraper suffisamment les défauts de forme des différents composants grevant également le rendement du dispositif thermo électrique. L'invention vise à améliorer la situation en proposant un dispositif thermo 5 électrique comprenant au moins une pluralité de modules thermo électriques, chaque module thermo électrique comprenant au moins un élément thermo électrique, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, ledit dispositif comprenant au moins un coin venant en appui sur deux desdits 10 modules thermo électriques adjacents pour maintenir lesdits modules autour d'un axe. En disposant lesdits modules autour d'un axe, on dispose d'une configuration facilement intégrable dans un conduit d'échappement de véhicule. En outre, en utilisant un ou plusieurs coins pour l'assemblage des 15 modules thermo électriques, on procure un serrage symétrique et auto- équilibré des modules thermo-électriques améliorant ainsi le transfert des calories et, in fine, le rendement desdits éléments thermo-électriques. Selon différents mode de réalisation de l'invention, pris ensemble ou séparément : 20 - lesdits modules thermo électrique présentent une forme parallélépipédique, - lesdits modules thermo électrique sont disposés radialement par rapport audit axe, - lesdits modules thermo électrique comportent au moins un tube de 25 circulation d'un premier fluide et un ou plusieurs conduits de circulation d'un second fluide, lesdits éléments thermo électrique étant positionnés entre le ou lesdits tubes et le ou lesdits conduits, - le ou lesdits coins prennent appui sur une face, en particulier une face plane, de l'un au moins desdits tubes et/ou conduits de façon à exercer sur la 30 ou lesdites faces un effort transversale, notamment orthogonal, à ces dernières, 3033085 4 - une direction d'extension du ou des tubes est sécante, notamment orthogonale, à une direction d'extension du ou desdits conduits. - une pluralité d'éléments thermo électriques s'étendent de part et d'autre du ou desdits tubes de circulation du premier fluide, dits tubes 5 centraux, - des conduits de circulation du second fluide sont situés de part et d'autre du ou desdits tubes centraux, - lesdits conduits de circulation sont reliés entre eux pour former au moins un tube dit périphérique en forme de U, 10 - une paroi interne desdits canaux de circulation est au contact des éléments thermo électriques du module et/ou une paroi externe desdits canaux de circulation forme deux côtés longitudinaux dudit module thermo électrique, - le dispositif comprend en outre une plaque collectrice s'étendant à 15 l'extrémité du ou des tubes de circulation pour le premier fluide, - lesdits tubes, en particulier lesdits tubes centraux, et/ou lesdits canaux de circulation, en particulier lesdits tubes périphériques, sont plats, - ledit dispositif comprend un carter sur lequel le ou lesdits coins prennent appui, 20 - le carter présente une forme cylindrique, - le ou lesdits coins comprennent une tige solidaire de la tête, ladite tige prenant appui sur le carter, - la tige du coin consiste dans une tige filetée destinée à recevoir un écrou et un contre-écrou s'étendant de part et d'autre du carter pour 25 solidariser le coin au carter, - ledit carter comporte des trous destinés à recevoir les tiges des coins, - le ou lesdits coins comportent une tête présentant une forme de prisme droit à base triangulaire ou polyédrique - au moins l'un desdits coins est configuré pour que sa tête soit 30 déformable, - ladite tête est obtenue dans un matériau semi-rigide, 3033085 5 - au moins une face de la tête comporte une interface souple, - deux faces opposées du ou desdits coins comportent respectivement une interface souple, - l'interface souple est obtenue dans du silicone ou du graphite souple, 5 - le ou lesdits coins sont solidarisés au carter par un moyen élastique. 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 : - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un exemple de 10 réalisation d'un dispositif thermo électrique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de face d'un dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique, partielle, en coupe transversale, d'un dispositif suivant l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective schématique des coins d'un 15 dispositif thermo électrique selon l'invention. Comme illustré aux figures 1 à 3, l'invention concerne un dispositif thermo-électrique 1 comprenant une pluralité de modules thermo électriques 2 et une pluralité de coins 3. Il comprend en outre ici un carter 4 sur lequel lesdits coins 3 prennent appui.

20 Selon l'invention, lesdits coins 3 sont destinés à être en contact avec deux modules thermo électriques 2 adjacents pour maintenir lesdits modules 2 autour d'un axe. Cela permet de donner au dispositif une configuration différente d'un empilement selon une direction unique tout en assurant, dans chaque module 2 un bon contact entre les éléments thermoélectrique et les 25 éléments qui serviront de source froide et de source chaude. Dans l'exemple, il est prévu des coins 3 entre chaque module thermo électriques 2 adjacents et lesdits modules thermo électriques 2 s'étendent radialement par rapport audit axe. On obtient de la sorte une configuration en anneau. La disposition en anneau permet de laisser la place au centre pour 30 l'implantation d'un conduit de by-pass pour les gaz. Lesdits modules thermo électrique 2 sont avantageusement de forme parallélépipédique. En 3033085 6 particulier, leurs faces se trouvant en vis-à-vis des coins sont parallèles l'une à l'autre. Chaque module thermo électrique 2 comprend au moins un élément thermo électrique 5, de préférence une pluralité d'éléments thermo électriques 5 5, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact 5a, 5b. Il s'agit, par exemple, d'éléments de forme sensiblement parallélépipédiques générant un courant électrique, selon l'effet Seebeck. De tels éléments permettent la création d'un courant électrique dans une charge connectée 10 entre lesdites faces de contact 5a, 5b. Les éléments thermo électriques 5 pourront être, pour une première partie, des éléments 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 15 éléments 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 électrique 5 sont répartis entre une pluralité de tubes 6 de circulation d'un premier fluide, dit chaud, avec lesquels ils sont 20 en contact par l'une de leur face de contact, et une pluralité de conduits 7 de circulation d'un second fluide, dit froid, avec lesquels ils sont en contact par l'autre de leur face de contact. Lesdits conduits de circulation 7 présentent avantageusement une direction d'extension sécante, notamment orthogonale, à la direction 25 d'extension du ou desdits tubes 6 de circulation dudit module. Les tubes de circulation 6 de chaque module thermo électrique 2 sont ici destinés à permettre la circulation de gaz d'échappement. A la figure 2, ils sont au nombre de deux par module. Ils forment une paire et sont disposés dans le prolongement radial l'un de l'autre. A la figure 30 3, chaque module comprend un unique tube 6. Dans la suite, le ou lesdits tubes 6 sont appelés tubes centraux.

3033085 7 Les éléments thermo électrique 5 s'étendent de part et d'autre de chaque tube central 6 avec lequel ils sont en contact par l'une de leur face de contact 5b. Les conduits de circulation 7 sont disposés de part et d'autre du ou 5 des tubes centraux 6. Les éléments thermo électriques 5 sont au contact desdits conduits de circulation 7 par leur autre face de contact 5a. Lesdits conduits de circulation 7 sont au contact desdits coins 3. Dans cet exemple, chaque module thermo électrique 2 comprend une pluralité de tubes 7' dits périphériques en forme de U présentant une 1 o direction d'extension sécante à la direction d'extension du tube central 6. Autrement dit, le ou lesdits tubes périphériques 7' comprennent chacun deux desdits conduits de circulation 7 du second fluide et une portion de renvoi, coudée, reliant ces dernier. Lesdits tubes périphériques 7' sont disposés dans le prolongement les uns des autres dans la direction d'extension du ou des 15 tubes centraux 6. La paroi interne desdits tubes périphériques 7' est au contact des éléments thermo électriques 5, au niveau de leurs faces 5a, et leur paroi externe forme les deux côtés longitudinaux et un côté latéral dudit module thermo électrique 2.

20 Lesdits tubes périphériques 7' de chaque module thermo électrique 2 sont ici destinés à permettre la circulation d'un fluide de refroidissement. On peut ainsi établir un gradient de température entre les éléments thermo électriques 5 au contact, d'une part, des tubes de circulation 6 du premier fluide et des tubes périphériques 7' de circulation de l'autre fluide.

25 Accessoirement, les tubes 6 et 7' pourront, par exemple, être munis de pistes, non illustrées, pour la conduction du courant généré par lesdits éléments thermo électriques 5. Plus précisément, ils pourront être revêtus d'une couche de matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur, par exemple céramique, sur laquelle sont prévues lesdites pistes, 30 notamment prévues en cuivre. Lesdites pistes relient en série et/ou en parallèle, les éléments thermo électriques 5 disposés sur les tubes 6. Tout ou 3033085 8 partie des éléments de même type P ou N d'un tube 6, 7' pourront être regroupés pour être montés en parallèle tandis qu'un élément ou un groupe d'éléments de type P d'un tube sera monté en série avec un élément ou un groupe d'éléments de type N du même tube ou d'un autre tube. Autrement dit, 5 différentes configurations de circuits électriques pourront être prévus à la surface des tubes 6, 7'. Lesdits tubes de circulation 6, 7' présentent, par exemple, une section aplatie selon une direction d'allongement, orthogonale à la direction d'extension des tubes. 1 o Lesdits tubes de circulation 6, 7' sont, par exemple des tubes plats. On entend par là qu'ils présentent deux grandes faces parallèles reliés par des petits côtés. On favorise de la sorte un contact plan sur plan entre les tubes, en particulier les tubes périphériques 7', et les coins 3, ceci par leur face en regard, prévu planes, ce qui est favorable à l'obtention d'un bon 15 serrage des tubes contre les éléments thermo électriques. Pour les tubes 7' destinés à la circulation du fluide froid, lesdits tubes 7' sont constitués, par exemple, d'aluminium et/ou d'alliage d'aluminium. Ils sont, notamment, extrudés. Pour les tubes 6 destinés à la circulation du fluide chaud, lesdits tubes 20 6 sont constitués, notamment, d'acier inox. Ils sont formés, par exemple, par profilage, soudage et/ou brasage. Par ailleurs, lesdits tubes 6, 7' présentent, par exemple, une multiplicité de canaux 8. Lesdits canaux 8 de passage du fluide sont séparés, notamment, par des cloisons 9 reliant les faces planes opposées des tubes 6, 25 7', ce qui empêche les tubes de s'écraser sous la pression de serrage exercée par les coins ce qui empêche les tubes de s'écraser sous la pression de serrage exercée par les coins. L'entrée et la sortie du ou des tubes 6 font avantageusement saillies depuis un même côté latéral du module thermo électrique 2 et chaque module 30 thermo électrique 2 comprend une plaque collectrice 10, reliant une extrémité des tubes 6 de circulation. Ladite plaque collectrice 10 présente une forme 3033085 9 sensiblement rectangulaire et est prévue, par exemple, à chaque extrémité des tubes centraux 6 d'un même module, lesdits tubes centraux 6 traversant ladite plaque collectrice 10. Lesdites plaques collectrices 10 comportent des trous 11, ici deux, destinés à recevoir respectivement une tige de fixation, non 5 illustrée sur les figures. Le dispositif comprend également deux supports annulaires 12 comportant des trous 13 destinés à recevoir lesdites tiges de fixation et des lumières 14 sensiblement rectangulaires, lesdites lumières 14 s'étendant au droit des tubes centraux 6 pour autoriser le passage du premier fluide. Ces 10 supports annulaires 12 comportent à leur périphérie des moyens de fixation destinés à coopérer avec des moyens de fixation complémentaires solidaires d'un boîtier d'admission 15, ici en forme de cône, et d'un boîtier d'échappement 16, ici en forme de cône également, lesdits boîtiers d'admission 15 et d'échappement 16 venant se connecter sur une conduite de 15 gaz d'échappement 17. Ainsi, ledit premier fluide rentre dans le dispositif par le boîtier d'admission 15, circule à travers les tubes centraux 6 de chacun des modules et ressort du dispositif par le boîtier d'échappement 15. Lesdits boîtiers d'admission 15 et d'échappement 16 comportent également des moyens de fixation du carter 4, ici cylindrique.

20 Chaque coin 3 comporte une tête 18 présentant une forme de prisme droit à base triangulaire et une tige 19 solidaire de la tête 18, ladite tige 19 s'étendant depuis l'une des faces de la tête 18 et prenant appui sur le carter 4. Dans cet exemple, ladite tige 19 de chaque coin 3 consiste dans une 25 tige filetée destinée à recevoir un écrou et un contre-écrou, non illustrés sur les figures, s'étendant de part et d'autre du carter 4 pour solidariser le coin 3 au carter 4, ledit carter comportant des trous 20 destinés à recevoir les tiges des coins 3. Ainsi, le carter 4 comporte des rangées annulaires de trous 20 uniformément réparties le long de son axe de révolution pour permettre un 30 assemblage comprenant des rangées annulaires de modules thermo électriques 2 radiaux.

3033085 10 En utilisant un ou plusieurs coins pour l'assemblage des modules thermo électriques et en s'appuyant sur un carter ou tout autre support ou armature, on procure un serrage symétrique et auto-équilibré des deux faces froides des modules thermo-électriques 2 améliorant ainsi le transfert des calories et, in 5 fine, le rendement des éléments thermo-électriques 5. Par ailleurs, cela procure un serrage symétrique et auto-équilibré des deux faces froides de chaque module thermo électrique 2 permettant ainsi de réduire le nombre de pièces nécessaire à cette fonction. On notera que la tête 18 de chaque coin 3 pourra présenter une forme 10 de prisme droit à base polygonale quelconque, telle qu'une base trapézoïdale par exemple, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Accessoirement, chaque coin 3 pourra être solidarisé au carter 4 par un moyen élastique, tel qu'un ressort hélicoïdal par exemple. Afin de récupérer les défauts de géométrie lors de l'assemblage des 15 modules thermo électriques 2, au moins un coin 3 est configuré pour que sa tête 18 soit déformable. A cet effet, la tête d'au moins un coin 3 est obtenue dans un matériau semi-rigide. Alternativement, en référence à la figure 3, deux faces opposées d'un coin 3 comportent respectivement une interface souple 21. Dans cet exemple, 20 les deux faces opposées consistent dans les deux faces de la tête 18 du coin 3 ne portant pas la tige 19. La dite interface souple 21 est obtenue dans du silicone, du graphite souple ou toute autre matière équivalente connue de l'homme du métier. On notera qu'une seule face de la tête 18 du coin 3 pourra comporter une interface souple 21 sans pour autant sortir du cadre de 25 l'invention. Comme illustré aux figures 1 et 4, les coins 3 présentent une largeur inférieure à la largeur des modules thermo électriques, mais une largeur sensiblement égale à la largeur des tubes de circulation 7' périphériques, de sorte que lesdits coins 3 sont segmentés le long de l'axe de révolution du 30 carter 4 permettant de s'adapter aux défauts géométriques des tubes de circulation 7' périphériques, dans lequel le fluide froid circule, et, par 3033085 11 conséquent, de mieux maitriser localement la compression appliquée sur lesdits tubes de circulation 7' périphériques. Si l'on se reporte de nouveau à la figure 1, on constate que le dispositif comporte également des tubes collecteurs longitudinaux d'entrée 5 22a et de sortie 22b en communication de fluide avec la première extrémité de tubes de circulation 7' périphériques et la seconde extrémité desdits tubes de circulation 7' périphériques. Des connecteurs électriques, non illustrés, reliés aux circuits électriques desdits modules, sont prévus pour une connexion du dispositif à 10 un réseau électrique qu'il contribuera à alimenter. Par ailleurs, lesdits éléments thermo électriques 5 pourront avantageusement être brasés aux tubes 6 de circulation du premier fluide alors qu'ils seront en contact avec les conduits 7 de circulation du second fluide uniquement sous l'effet du serrage obtenu par les coins 3.

15 En observant les figures, on observe que le dispositif présente une géométrie cylindrique tout en étant construit avec des éléments parallélépipédiques : tubes rectangulaires ou plats, modules cubiques.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules thermo électriques (2), chaque module thermo électrique (2) comprenant au moins un élément thermo électrique (5), permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs faces, dites faces de contact, ledit dispositif comprenant au moins un coin (3) venant en appui sur deux desdits modules thermo électriques (5), adjacents, pour maintenir lesdits modules (2) autour d'un axe.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel lesdits modules thermo électriques (2) sont disposés radialement par rapport audit axe.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel lesdits modules thermo électriques (2) comportent au moins un tube de circulation d'un premier fluide (6) et un ou plusieurs conduits de circulation d'un second fluide (7), lesdits éléments thermo électriques (5) étant positionnés entre le ou lesdits tubes (6) et le ou lesdits conduits (7).
4. 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel le ou lesdits coins (3) prennent appui sur une face de l'un au moins desdits tubes (6) et/ou conduits (7) de façon à exercer sur la ou lesdites faces un effort transversal à ces dernières.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 dans lequel une direction d'extension du ou des tubes (6) est sécante à une direction d'extension du ou desdits conduits (7).
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 dans lequel une pluralité d'éléments thermo électriques (5) s'étendent de part et d'autre du ou desdits tubes (6) de circulation du premier fluide, dits tubes centraux, des conduits de circulation (7) du second fluide étant situés de part et d'autre du ou desdits tubes centraux (6), lesdits conduits de circulation (7) étant reliés entre eux pour former au moins un tube (7') dit périphérique en forme de U. 3033085 13
7. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6 comprenant en outre une plaque collectrice (10) s'étendant à l'extrémité du ou desdits tubes (6) pour le premier fluide.
8. 8. Dispositif suivant la revendication 7 dans lequel les plaques 5 collectrices (10) comportent des trous (11) destinés à recevoir respectivement une tige de fixation.
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel le ou lesdits coins (3) comportent une tête (18) présentant une forme de prisme droit à base triangulaire ou polyédrique. 10
10. 10. Dispositif suivant la revendication 9 dans lequel au moins l'un desdits coins (3) est configuré pour que sa tête (18) soit déformable.
11. 11. Dispositif suivant la revendication 10 dans lequel ladite tête (18) est obtenue dans un matériau semi-rigide.
12. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 ou 11 dans 15 lequel au moins une face de la tête (18) comporte une interface souple (21).
13. 13. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12 comprenant un carter (4) sur lequel le ou lesdits coins (3) prennent appui.
14. 14. Dispositif suivant la revendication 13 dans lequel le carter (4) présente une forme cylindrique. 20
15. 15. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel lesdits modules (2) sont répartis en anneau de façon à définir un conduit central de passage de fluide. 25