FR3047610A1 - Tube thermoelectrique a haut rendement de conversion - Google Patents
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Abstract
Un dispositif thermoélectrique tubulaire comprend une séquence de pièces cylindriques et coaxiales, constituée : d'une première et d'une seconde pièces de connexion interne (52) comprenant chacune un cylindre creux (54) et un anneau électriquement conducteur (50) faisant saillie d'une face latérale externe (56) dudit cylindre (54), les cylindres creux des deux pièces de connexion interne coopérant de manière à former un tube interne (42) ; - de premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48) ayant des coefficients Seebeck différents, enchâssés sur lesdits cylindres creux (54) entre lesdits anneaux électriquement conducteurs (50) et étant en contact respectif avec ces derniers ; et - une pièce de connexion externe (58) comprenant un cylindre creux (60) et un anneau électriquement conducteur (50) faisant saillie d'une face latérale interne (62) dudit cylindre (60), le cylindre creux (60) de la pièce de connexion externe (58) logeant au moins le premier et le second anneaux thermoélectriques (46, 48), et l'anneau électriquement conducteur (50) de la pièce de connexion externe (58) étant disposé entre les premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48), au contact de chacun de ces derniers, et enchâssé sur au moins un cylindre creux (54) d'une parmi les première et seconde pièces de connexion interne (52).
Description
TlIBK THERMOELECTRIOUE A HAUT RENDEMENT DE CONVERSION
Domaine de l’invention L’invention a trait au domaine des tubes thermoélectriques, entrant en particulier dans la constitution de systèmes de conversion thermoélectrique pour la production d’électricité par circulation de deux fluides de températures différentes et des échangeurs de chaleur.
Etat de la technique
Un dispositif thermoélectrique est un appareil convertissant un gradient de chaleur en courant électrique ou vice versa. Il comprend à cet effet une alternance de premiers et seconds éléments de coefficients Seebeck différents connectés électriquement en série et définissant deux surfaces distinctes, par exemple deux séries d’éléments dits « thermoélectriques ». Lorsque ces dernières sont sujettes à un gradient de température, par exemple au moyen d’une circulation de deux fluides à des températures différentes, il apparaît une tension aux bornes de l’alternance d’éléments thermoélectriques, qui, connectée à une charge, génère donc un courant électrique. Dans ce mode de fonctionnement, on parle alors de « convertisseur thermoélectrique ». En inversant l’utilisation de cette structure, c’est à dire en injectant un courant électrique dans l’alternance d’éléments thermoélectriques, cette dernière produit en réponse un flux de chaleur permettant ainsi de refroidir et/ou de réchauffer l’une desdites surface, et donc d’un fluide au contact avec celle-ci. Dans ce mode de fonctionnement, on parle alors de pompe à chaleur Peltier.
Pour faciliter l’usage des dispositifs thermoélectriques, une morphologie tubulaire, plutôt que plane, est avantageuse car elle est plus compacte et plus simple à intégrer dans une structure plus grande. Une telle morphologie définit notamment un tube interne dans lequel un premier fluide est destiné à circuler, et un tube externe dans lequel un deuxième fluide est destiné à circuler.
La morphologie tubulaire trouve notamment application dans de nombreux domaines, par exemple : dans le milieu automobile pour la récupération d’énergie (e.g. la chaleur dégagée par le pot d’échappement ou par le moteur, convertie en électricité pour par exemple recharger une batterie ou alimenter une climatisation), dans les réseaux de transport de fluide pour l’alimentation de capteurs autonomes implantés directement sur les conduites du réseau (e.g. un réseau de distribution d’eau chaude avec des conduites enterrées équipées de capteurs de fuite), dans le domaine des centrales solaires thermoélectriques à concentration (e.g. centrales comportant des systèmes optiques de focalisation du rayonnement solaire sur des convertisseurs thermoélectriques, système optique le plus souvent de révolution pour lesquels une forme tubulaire, et donc également de révolution, est plus adaptée).
Les premières tentatives de réalisation de dispositifs thermoélectriques tubulaires se sont avérées peu concluantes, les dispositifs étant soit complexes à fabriquer, notamment en raison de la présence de contacts électriques et thermiques sur des surfaces cylindriques, soit présentant des rendements faibles, notamment en raison d’importantes fuites thermiques. C’est pourquoi il a été proposé de fabriquer des dispositifs thermoélectriques en deux étapes, la première étape consistant à fabriquer des jambes thermoélectriques ou des modules thermoélectriques planaires, la seconde étape consistant à les conformer autour d’un tube, notamment le tube d’un système déjà existant (e.g. un tuyau d’échappement d’une automobile par exemple) en utilisant des systèmes d’adaptation mécanique d’un plan vers une surface courbe. Cette solution, qui facilite la connexion électrique d’un nombre important d’éléments thermoélectriques, car réalisée à plat, est cependant difficilement industrialisable, en particulier en raison du coût du matériau additionnel et de la masse embarquée ajoutée.
Il a alors été proposé une approche plus intégrée à base de dispositifs thermoélectriques obtenus par l’assemblage d’anneaux thermoélectriques et d’anneaux électriquement conducteurs. Cette approche permet notamment d’intégrer plus simplement un tel dispositif dans un système plus large d’échanges thermiques déjà existant, puisqu’il suffit de remplacer un tube du système (e.g. une portion d’un pot d’échappement) par le dispositif thermoélectrique à architecture tubulaire. Un tel montage permet de conserver la fonction initiale du dispositif thermoélectrique (i.e. échange thermique), puisqu’il ne subit aucune transformation, et la forme initiale du tuyau remplacé (remplacement d’une forme tubulaire par une forme tubulaire). Cette architecture à base d’empilement présente en outre une bonne tenue thermomécanique en raison de sa symétrie circulaire et permet de garantir une bonne compacité du dispositif d’échange thermique. Deux grands types d’architectures tubulaire à base d’assemblage d’anneaux ont ainsi été développés, telles que respectivement illustrées sur les vues en coupe des figures 1 et 2.
La figure 1 illustre un dispositif thermoélectrique tubulaire 10 tel que décrit dans le document EP 2 541 182. Le dispositif 10 comporte une alternance d’anneaux thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type n 12 et d’anneaux thermoélectriques en matériau semi-conducteur de type p 14, connectés électriquement entre eux. Les anneaux sont par ailleurs connectés thermiquement à un fluide chaud 16 et un fluide froid 18 par leurs faces latérales cylindriques au moyen d’anneaux cylindriques interne 20 et d’anneaux cylindriques externes 22 électriquement et thermiquement conducteurs. Le flux d’électrons produits dans cette structure est illustré par les flèches en trait continu et le flux de chaleur générée est illustré par les flèches en traits pointillés. Cette architecture présente l’avantage de faire passer l’ensemble du flux thermique par les anneaux thermoélectriques 12, 14 et garantit ainsi un rendement de conversion thermoélectrique maximal à l’échelle du dispositif thermoélectrique 10. Toutefois, la connexion électrique des anneaux thermoélectriques 12, 14 est réalisée par leurs faces cylindriques, ce qui nécessite une préparation de surface et des tolérances exigeantes pour assurer une bonne connexion électrique et thermique des anneaux thermoélectriques 12, 14 avec les cylindres internes et externes de connections 20, 22. Cet aspect ne favorise pas une industrialisation aisée de cette architecture de tube thermoélectrique.
La figure 2 illustre un dispositif thermoélectrique tubulaire 30 tel que décrit dans le document US 8 552 284. Le dispositif 30 comporte un assemblage d’anneaux thermoélectriques coniques réalisés dans un même matériau semi-conducteur de type p ou n 32, connectés électriquement entre eux, et thermiquement aux fluides chaud et froid 16, 18, par leurs faces transversales via des anneaux coniques métalliques 34. Le flux d’électrons produits et le flux de chaleur générée sont également illustrés respectivement par les flèches en trait continu et en traits pointillés. Cette architecture présente l’avantage d’une fabrication facilitée. En effet, les anneaux coniques permettent un auto-centrage des anneaux thermoélectriques et des anneaux de connexion, et l’assemblage de l’ensemble des anneaux 32, 34 est réalisé par leurs faces transversales, ce qui constitue un assemblage plus tolérant que celui réalisé sur les faces latérales tel que décrit ci-dessus. Cette architecture présente cependant un inconvénient majeur : les anneaux métalliques de connections 34 génèrent une fuite thermique entre le fluide chaud 16 et le fluide froid 18 car ils sont directement en contact avec le fluide chaud 16 et le fluide froid 18. Ces derniers jouent en effet à la fois la fonction de connexion électrique et la fonction de transfert de chaleur, comme illustré par les portions 34a et 34b de ces anneaux, qui représentent respectivement les zones de collecte de la chaleur et du froid. De fait, seule une faible portion du flux thermique échangé passe dans les anneaux thermoélectriques 32 et contribue à la conversion thermoélectrique. Ceci induit un rendement de conversion faible à l’échelle du dispositif thermoélectrique 30 et également un faible différentiel de température aux bornes des anneaux thermoélectriques (bien inférieur à celui entre les fluides chaud et froid) et donc une faible tension de sortie. Ces deux derniers points ne favorisent pas une utilisation généralisée de cette architecture de tube thermoélectrique. A la lumière de l’état de la technique, on note ainsi que la conception de dispositifs thermoélectriques à base d’assemblage d’anneaux met en jeu deux caractéristiques antinomiques : a) soit il est recherché un rendement important mais aux prix d’une connexion électrique difficile, b) soit il est recherché une connexion électrique simplifiée mais au prix de fuites thermiques qui impactent fortement le rendement.
Expose de l’invention
Le but de la présente invention est de proposer un dispositif tubulaire à assemblage de pièces présentant un rendement de conversion élevé et une connexion électrique simple. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif thermoélectrique tubulaire comprenant au moins une séquence de pièces cylindriques et coaxiales, ladite séquence étant constituée : d’une première et d’une seconde pièces de connexion interne comprenant chacune un cylindre creux et un anneau électriquement conducteur faisant saillie d’une face latérale externe dudit cylindre, les cylindres creux des deux pièces de connexion interne coopérant de manière à former un tube interne ; de premier et second anneaux thermoélectriques ayant des coefficients Seebeck différents, enchâssés sur lesdits cylindres creux entre lesdits anneaux électriquement conducteurs et étant en contact respectif avec ces derniers ; et - une pièce de connexion externe comprenant un cylindre creux et un anneau électriquement conducteur faisant saillie d’une face latérale interne dudit cylindre, le cylindre creux de la pièce de connexion externe logeant au moins le premier et le second anneaux thermoélectriques, et l’anneau électriquement conducteur de la pièce de connexion externe étant disposé entre les premier et second anneaux thermoélectriques, au contact de chacun de ces derniers, et enchâssé sur au moins un cylindre creux d’une parmi les première et seconde pièces de connexion interne.
En d’autres termes, le dispositif résulte de l’assemblage d’anneaux par leurs faces transversales, assemblage qui est plus tolérant que celui réalisé sur les faces latérales. Le dispositif présente donc les avantages de la seconde catégorie de structure de l’état de la technique décrite en relation avec la figure 2.
En outre, le rendement de conversion thermoélectrique à l’échelle du tube complet est maximisé car il n’existe pas de connexion thermique entre les anneaux de connexion interne et les anneaux de connexion externe. Ces éléments sont en effet des pièces distinctes en contact soit avec le fluide chaud ou soit avec le fluide froid et n’ont pas de contact direct entre elles ; ceci qui évite donc toute fuite thermique entre le fluide chaud et froid au travers de ces éléments de connexion. En effet, comme les anneaux internes et externes ne sont pas directement en contact l’un avec l’autre, mais sont séparés par des éléments thermoélectriques, et que les anneaux internes sont séparés du tube externe (défini par la pièce externe) par une espace d’air (possédant une haute résistance thermique en comparaison avec les éléments thermoélectriques et les éléments de connexion internes et externes), l’ensemble du flux thermique passant des éléments de connexion internes vers les éléments de connexion externes passe par donc les éléments thermoélectriques. Le dispositif présente donc les avantages de la première catégorie de structure de l’état de la technique décrite en relation avec la figure 1 dans laquelle l’ensemble du flux thermique échangé passe par les éléments thermoélectriques.
Enfin, le dispositif peut utiliser deux types d’anneaux thermoélectriques (e.g. de type n et de type p), ce qui permet de sommer les tensions générées par les différents anneaux thermoélectriques et ainsi maximiser la tension de sortie aux bornes du dispositif.
Selon un mode de réalisation, chacun des anneaux conducteurs d’électricité et thermoélectriques est un cylindre de révolution circulaire et de bases planes et perpendiculaires à l’axe du cylindre, pièces qui sont simples à fabriquer.
En variante, chacun des anneaux conducteurs d’électricité et thermoélectriques est un cylindre de révolution circulaire et de bases coniques, et les bases coniques en regard de deux desdits anneaux ont une forme complémentaire de manière à s’emboîter. Ce mode de réalisation permet un auto centrage des différentes pièces lors de l’assemblage, et offre donc un assemblage facilité.
Selon un mode de réalisation : l’anneau électriquement conducteur de la pièce de connexion externe est uniquement sur un cylindre creux d’une parmi les première et seconde pièces de connexion interne ; et/ou le cylindre creux de la pièce de connexion externe loge sans contact au moins le premier et le second anneaux thermoélectriques.
Une telle conception permet par exemple de concevoir les pièces de connexion interne et/ou externe entièrement dans un matériau conducteur d’électricité tout en évitant les courts-circuits une fois les pièces assemblées.
Selon un mode de réalisation, le premier et le second anneaux thermoélectriques sont constitués de Calcogénures (exemple : Bi2Te3), d’un siliciure (exemple : SiGe, MnSi, MgSi, ...), d’un matériau Half-Heusler (encore appelé semi-Heusler), et/ou d’une Skutterudite.
Selon un mode de réalisation, les anneaux électriquement conducteurs des pièces de connexion interne et externe sont constitués de cuivre, d’aluminium, d’argent, de nickel, de tungstène, de graphite et/ou d’un alliage d’au moins deux de ces matériaux.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un tube en matériau électriquement isolant enchâssé dans le tube interne défini par les pièces de connexion interne et/ou enchâssant le cylindre creux de la pièce de connexion externe. En variante, ou de manière supplémentaire, la face latérale externe des cylindres creux des pièces de connexion interne et/ou la face latérale externe du cylindre creux de la pièce de connexion externe est constituée ou est recouverte d’un matériau électriquement isolant. Ceci permet de faire circuler des fluides conducteurs d’électricité, e.g. de l’eau, sans provoquer de court-circuit.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un joint électriquement conducteur entre chaque paire d’anneaux en contact parmi les anneaux électriquement conducteurs des pièces de connexion interne et externe et les premier et second anneaux thermoélectriques, ce qui permet d’améliorer la qualité du contact entre les anneaux et de tenir les pièces solidaires les unes des autres une fois l’assemblage terminé.
Selon un mode de réalisation, les pièces du dispositif sont pressées les unes contre les autres par un bridage à ressort. Les pièces sont ainsi maintenues les unes contre les autres, tout en permettant de s’adapter aux dilatations/contractions des différentes pièces lorsque le dispositif est soumis à des cycles thermiques.
Selon un mode de réalisation, la surface latérale interne des cylindres creux des pièces de connexion interne et/ou la surface latérale externe du cylindre creux de la pièce de connexion externe sont nervurées, ce qui permet d’augmenter la surface d’échange de chaleur et donc le rendement de conversion.
Selon un mode de réalisation, les pièces de connexion interne et externe vérifient les relations suivantes : 0,3 x (hn + hp + e 1.2 + e2.2) <L\< 0,95 x (hn + hp + el.2 + e2.2) 0,3 x (hn + hp + e 1.2 + e2.2) <L2< 0,95 x (hn + hp + el.2 + e2.2) expressions dans lesquelles : - L1 est la longueur de la pièce de connexion interne, - L2 est la longueur de la pièce de connexion externe, hn et hp sont les hauteurs respectives des premier et second anneaux thermoélectriques, e 1.1 est l’épaisseur du cylindre creux de la pièce de connexion interne, et e2.1 est l’épaisseur du cylindre creux de la pièce de connexion externe.
Cette caractéristique permet d’optimiser la collecte de chaleur en convection, et donc le rendement de conversion du dispositif. L’invention a également pour objet un générateur de courant comportant : au moins un dispositif thermoélectrique tubulaire du type précité ; deux bornes électriques, au contact de deux pièces de connexion extrêmes du dispositif, pour la collecte de courant électrique ; - un circuit d’injection d’un fluide à une première température dans le tube interne du dispositif ; et - un circuit de circulation d’un fluide à une seconde température, différente de la première température, sur le cylindre creux de la pièce de connexion externe. L’invention a également pour objet une pompe à chaleur Peltier comportant : au moins un dispositif thermoélectrique tubulaire du type précité ; - deux bornes électriques au contact de deux pièces de connexion extrêmes du dispositif ; - une source de courant connectée auxdites bornes pour injecter du courant dans le dispositif ; et - un circuit d’injection d’un fluide dans le tube interne du dispositif ;
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe de deux dispositifs thermoélectriques tubulaires de l’état de la technique, tels que discutés précédemment ; - la figure 3 est une vue en perspective et écorchée d’une découpe de 60° d’un dispositif thermoélectrique tubulaire selon un premier mode de réalisation de l’invention ; la figure 4 est une vue en perspective éclatée d’une séquence de pièces entrant de la constitution du dispositif de la figure 3 ; la figure 5 est une vue en perspective d’un anneau thermoélectrique du dispositif de la figure 3 ; les figures 6a, 6b, 6c sont respectivement des vues en perspective, de face et en coupe transversale d’une pièce de connexion interne du dispositif de la figure 3 ; les figures 7a, 7b, 7c sont respectivement des vues en perspective, de face et en coupe transversale d’une pièce de connexion externe du dispositif de la figure 3 ; la figue 8 est une vue en coupe transversale d’un anneau thermoélectrique et des pièces de connexion interne et externe illustrant leurs dimensions respectives : la figure 9 est une vue en perspective et écorchée d’une découpe de 60° d’un dispositif thermoélectrique tubulaire selon un second mode de réalisation de l’invention ; la figure 10 est une vue en perspective éclatée d’une séquence de pièces entrant de la constitution du dispositif de la figure 9 ; - la figure 11 est une vue en perspective d’un anneau thermoélectrique du dispositif de la figure 9 ; les figures 12a, 12b, 12c sont respectivement des vues en perspective, de face et en coupe transversale d’une pièce de connexion interne du dispositif de la figure 9 ; les figures 13a, 13b, 13c sont respectivement des vues en perspective, de face et en coupe transversale d’une pièce de connexion externe du dispositif de la figure 9 ; - la figure 14 est une vue en perspective et écorchée d’une découpe de 60° d’un dispositif thermoélectrique tubulaire selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; - la figure 15 est une vue en perspective et écorchée d’une découpe de 60° d’un dispositif thermoélectrique tubulaire selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ; - la figure 16 est une vue en perspective et écorchée d’une découpe de 60° d’un dispositif thermoélectrique tubulaire selon un cinquième mode de réalisation de l’invention : - les figures 17 et 18 sont des vues en perspective d’une variante des pièces de connexion interne et externe à base de nervures ; - la figure 19 est une vue de détail illustrant des joints disposés entre les anneaux thermoélectriques et conducteurs d’électricité, e.g. ceux du dispositif de la figure 3 ; - la figure 20 est une vue en perspective d’un assemblage du dispositif selon l’invention par bridage au moyen de deux ressorts ; la figure 21 est une vue schématique en perspective illustrant la circulation de fluides dans et sur des dispositifs selon l’invention ; la figure 22 est une vue schématique en perspective d’un échangeur thermoélectrique selon l’invention ; et - la figure 23 illustre un profil de température le long du dispositif selon l’invention. Description detaillee de l’invention
Dans la suite de la description : on entend par « latéral », une surface ou dimension parallèle à l’axe principal d’une pièce, e.g. l’axe d’une pièce cylindrique. et on entend par « transversal », une dimension ou une surface qui coupe ledit axe principal, par exemple une base d’une pièce cylindrique.
En se référant à la figure 3, un dispositif thermoélectrique tubulaire 40 selon un premier mode de réalisation comporte un ensemble d’éléments cylindriques de révolution à bases planes et parallèles, lesdits éléments étant coaxiaux en partageant un axe principal X, notamment : - un tube interne cylindrique 42, destiné à l’écoulement d’un premier fluide à une première température ; - un tube externe cylindrique 44, sur lequel un second fluide, à une seconde température différente, e.g. inférieure, à la première température, est destiné à circuler ; - des premiers anneaux thermoélectriques cylindriques 46 ayant un premier effet Seebeck, enchâssés sur le tube interne 42 et logés dans le tube externe 44 à distance de ce dernier ; - des seconds anneaux thermoélectriques cylindriques 48 ayant un second effet Seebeck, différent du premier effet Seebeck, disposés en alternance avec les premiers anneaux 46, enchâssés sur le tube interne 42 et logés dans le tube externe 44; et - des anneaux cylindriques électriquement conducteurs 50 disposés entre les anneaux thermoélectriques enchâssés sur le tube interne 42 et logés dans le tube externe 44 à distance de ce dernier.
Les anneaux thermoélectriques et de connexion conducteur sont empilés les uns sur les autres avec les bases en contact les unes des autres de sorte que les anneaux thermoélectriques 46, 48 sont connectés électriquement en série au moyen des anneaux conducteurs 50.
Comme illustré plus particulièrement à la figure 4, le dispositif 40 résulte de l’assemblage de pièces mécaniques de quatre types, à savoir dans leur ordre d’assemblage selon l’axe X : - une pièce de connexion interne 52 comprenant un cylindre creux 54 formant une partie du tube interne 42, et l’un des anneaux conducteurs 50 qui fait saillie d’une face latérale externe 56 du cylindre 54, par exemple à mi-hauteur de celui-ci ; l’un des premiers anneaux thermoélectriques 46 ; - une pièce de connexion externe 58 comprenant un cylindre creux 60 formant une partie du tube externe 44, et l’un des anneaux conducteurs 50 qui fait saillie d’une face latérale interne 62 du cylindre 60, par exemple à mi-hauteur de celui-ci ; et l’un des seconds anneaux thermoélectriques 48.
Les premiers et le seconds anneaux thermoélectriques 46, 48 sont par exemple constitués d’un matériau semi-conducteur respectivement de type n et de type p, en particulier de Calcogénures (exemple : Bi2Te3), d’un siliciure (exemple : SiGe, MnSi, MgSi, ...), d’un matériau Half-Heusler (encore appelé semi-Heusler), et/ou d’une Skutterudite.
Les anneaux électriquement conducteurs 50 des pièces de connexion interne et externe 52, 58, ou ces dernières dans leur totalité, sont constitués par exemple en métal, en particulier constitué de cuivre, d’aluminium, d’argent, de nickel, de tungstène, ou constituées de graphite, et/ou d’un alliage d’au moins deux de ces matériaux. L’assemblage desdites pièces résulte ainsi dans un dispositif 40 comprenant au moins une séquence unitaire constituée, selon l’axe X et comme illustrée à la figure 4, d’une première pièce de connexion interne 52, d’un premier anneau thermoélectrique 46, d’une pièce de connexion externe 58, d’un deuxième anneau thermoélectrique 48, et d’une deuxième pièce de connexion interne 52, les cylindres creux 54 des pièces de connexion interne étant associés pour former le tube interne 42, et les cylindres creux 60 des pièces de connexion externe étant associés pour former le tube externe 44.
Chacune des pièces est par exemple constituée d’un seul matériau, en étant fabriquée par exemple par moulage, usinage, ou impression 3D, auquel cas les cylindres 54 et 60 (ou de manière équivalente, les tubes interne et externe 42, 44) sont également électriquement conducteur. Afin d’éviter les court-circuits électriques : a) chaque anneau conducteur 50 d’une pièce de connexion externe 58 est enchâssé sur uniquement un cylindre creux d’une pièce de connexion interne 52 (i.e. n’est pas à cheval sur deux pièces de connexion interne 52) ; b) les anneaux conducteurs 50 des pièces de connexion interne 52 sont logés à distance du tube externe 44, i.e. ne sont pas au contact des cylindres creux 50 des pièces de connexion externe 58.
Pour obtenir ce résultat, et en se référant aux figures 5 à 8, les règles de conception suivantes sont par exemple mise en œuvre : L1 < (hn + hp + e 1.2 + e2.2) L2 < (hn + hp + e 1.2 + e2.2) expressions dans lesquelles : L1 est la longueur d’une pièce de connexion interne 52, L2 est la longueur d’une pièce de connexion externe 58, - hn et hp sont les hauteurs respectives des premiers et seconds anneaux thermoélectriques 46,48, e 1.1 est l’épaisseur du cylindre creux 54 d’une pièce de connexion interne 52, - e2.1 est l’épaisseur des cylindres creux 60 des pièces de connexion externe 58.
Cette règle de conception évite ainsi les court-circuits entre les anneaux conducteurs des pièces externes et les cylindres creux des pièces internes, permettant ainsi d’obtenir le résultat décrit au point a) ci-dessus. RI Λ <(R2.l -e2.1) expression dans laquelle : - Rl.l désigne le diamètre externe de les anneaux conducteurs 50 des pièces de connexion interne 52, - R2.1 désigne le diamètre externe des cylindres creux 60 des pièces de connexion externe 58, et e2.1 désigne l’épaisseur de ces cylindres 60.
Cette règle de conception évite ainsi les court-circuits entre les anneaux conducteurs des pièces internes et les cylindres creux des pièces de connexion externe, permettant ainsi d’obtenir le résultat décrit au point b) ci-dessus.
Dans une telle configuration, et en se référant à nouveau à la figure 3, avec des premier et second anneaux thermoélectriques constitués de matériau semi-conducteur de type opposé (e.g. respectivement de type p et n), le flux de chaleur macroscopique est illustré par la flèche « FCM », le flux de chaleur dans les anneaux thermoélectriques est illustré par les flèches « FCT », et le flux d’électrons produits est illustré par la flèche « FE », ce flux étant collecté par exemple au moyen de deux électrodes raccordées aux pièces de connexion interne les plus extrêmes du dispositif 40, aux bornes desquelles apparaît donc une tension V.
De manière avantageuse, afin d’optimiser la collecte de chaleur en convection, les longueurs L1 et L2 sont choisies de telle sorte à vérifier : 0,3 x (hn + hp + el.l + e2.1) <L1 < 0,95 x (hn + hp + el.l + e2.1) 0,3 x (hn + hp + e 1.1 + e2.1) <L2 < 0,95 x (hn + hp + el.l + e2.1)
Ceci permet d’éviter les contacts électriques entre les anneaux de connexion tout en garantissant un large contact thermique avec les fluides chaud et froid.
Par ailleurs, afin de faciliter l’assemblage du dispositif 40, en évitant notamment un assemblage en force des pièces, il existe un jeu entre le diamètre interne des anneaux thermoélectriques 46, 48 et le diamètre externe des cylindres creux 54 des pièces de connexion interne 52, et un jeu entre le diamètre externe des anneaux thermoélectriques 46, 48 et les cylindres creux 60 des pièces de connexion interne 58, les règles de conception suivantes étant mises en œuvre : R2 > (Rl.2 + el.l) RI <(R2A -e2.1) expressions dans lesquelles : R2 est le diamètre interne des anneaux thermoélectriques 46, 48, (/? 1.2 + el.l) est le diamètre externe des cylindres creux 54 des pièces de connexion interne 52, RI est le diamètre externe des anneaux thermoélectriques 46, 48, et (R2A - e2A) est le diamètre interne des cylindres creux 60 des pièces de connexion externe 58.
Typiquement, un dispositif selon l’invention utilisé dans le cadre d’échangeurs de chaleurs, présente les dimensions suivantes, adaptées à ce type d’application : - diamètre interne des pièces de connexion interne Rl.2 compris dans l’intervalle [2mm - 10 mm] - diamètre externe des pièces de connexion externe R2.1 compris dans l’intervalle [4mm - 20 mm] - hauteur des anneaux thermoélectriques h comprise dans l’intervalle [2mm - 10 mm]
Le premier mode de réalisation décrit ci-dessus comporte des pièces cylindriques assemblées en mettant en contact leurs faces transversales, ou bases, perpendiculaires à l’axe X.
Dans un second mode de réalisation illustré aux figures 9 à 13, les anneaux thermoélectriques et conducteurs diffèrent du premier mode de réalisation par leurs bases qui sont tronconiques. Plus particulièrement, les anneaux thermoélectriques 46, 48 ont leurs faces transversales 62 qui forment un angle a avec la normale à Taxe X, et les anneaux conducteurs 50 des pièces de connexion interne et externe 52, 58 ont des bases tronconiques complémentaires à celles des anneaux 46, 48 et forment ainsi des anneaux à section triangulaire d’angle a. L’anneau conducteur des pièces de connexion interne et externe fait par exemple saillie d’un tube creux entièrement cylindrique (fig. 12(c) et 13(c)) ou est réalisé sous la forme d’une courbure du cylindre creux (fig. 9, fig. 10, fig. 12(d) et 13(d)).
Dans le cadre de ce second mode de réalisation, les règles de conception décrites ci-dessus demeurent inchangées. La forme tronconique des anneaux permet ainsi à ces derniers de s’emboîter comme illustré à la figure 10 en mettant en œuvre un autocentrage des différentes pièces lors de l’assemblage, y compris en présence de jeux. Par ailleurs, leur forme induit une augmentation de la surface d’échange thermique avec les côtés froid et chaud du dispositif, et donc un meilleur échange thermique. En revanche, le second mode de réalisation est de conception plus difficile et est moins compact que le premier mode de réalisation.
Il a été décrit des modes de réalisation dans lesquels les pièces de connexion interne et externe sont réalisées en un seul tenant et constituées d’un même matériau.
Dans un troisième mode de réalisation illustré à la figure 14, les anneaux conducteurs 50 des pièces de connexion interne 52 sont sertis sur le tube creux 54. Ceci permet d’utiliser deux matériaux différents pour l’anneau conducteur et le tube creux. En particulier ce dernier peut être constitué d’un matériau isolant électrique, e.g. diélectrique, ce qui permet de faire circuler dans le tube interne un fluide conducteur d’électricité sans risquer de court-circuit.
Les anneaux conducteurs sont dans les modes de réalisation précédents disposés à mi-hauteur des pièces de connexion interne et externe.
Dans un quatrième mode de réalisation illustré à la figure 15, les anneaux conducteurs 50, par exemple ceux des pièces de connexion externe 58, sont formés à l’extrémité des cylindres creux 60. Les anneaux thermoélectriques sont dans le même sens et les anneaux de connexion sont plus simples à fabriquer, par exemple par emboutissage.
Dans les modes de réalisation précédents, les anneaux thermoélectriques sont de dimensions identiques, par exemple constitué de matériau semi-conducteurs identiques mais de type opposé. Les anneaux peuvent être également identiques en termes de matériaux (e.g. de type p ou de type n) et/ou peuvent être de dimensions différentes. En particulier, dans le mode de réalisation illustré à la figure 16, les anneaux thermoélectriques 46, 48 ont des hauteurs hp et hn différentes, ce qui permet de maximiser le facteur de mérite (ZT) du dispositif thermoélectrique et d’optimiser la conversion thermoélectrique. En particulier, les hauteurs hp et hn vérifient la relation :
expression dans laquelle pn et pp sont respectivement les résistivités électriques des matériaux thermoélectriques de type n et p ; et λη et λρ sont les conductivités thermiques des matériaux thermoélectriques de type n et p.
Afin d’augmenter la surface d’échange thermique, en particulier dans le cadre d’échange thermique de type convectif (e.g. avec de l’air ou des fumées), et donc le rendement de conversion du dispositif thermoélectrique tubulaire, les cylindres creux des pièces de connexion interne et/ou les cylindres creux des pièces de connexion externe peuvent présenter une texturation de surface, par exemple comme illustré respectivement aux figures 17 et 18 qui illustrent les cylindres creux 54 et 60 des pièces de connexion interne et externe 52, 58 pourvus d’ailettes 70, 72.
La structure modulaire selon l’invention offre une grande facilité d’assemblage car elle s’affranchit des tolérances sur les diamètres internes et externes des anneaux thermoélectriques, qui, jusqu’à présent, représentent un verrou technologique pour la fabrication en grande série de ce type de dispositif. Notamment, la connexion électrique est réalisée sur les surfaces transversales des anneaux thermoélectriques.
Afin de maintenir les pièces solidaires les unes des autres, tout type de technique peut être mis en œuvre, la technique étant en particulier choisie en fonction des matériaux utilisés dans le dispositif selon l’invention et les températures d’utilisation de ce dernier.
Par exemple, comme illustré à la figure 19 de détail, le maintien des pièces est réalisé à l’aide de joints brasés ou frittés 74 disposés entre les anneaux thermoélectriques et conducteurs (e.g. des joints brasés constitué des alliages à base de Sn, Bi, Sb, Pb à basse température (100-300°C) et à base d’Ag, Si, Au à plus haute température (300-900°C), ou des joints frittés réalisée à partir de poudre d’Ag fritté).
Par exemple, des anneaux constitués du matériau de joints sont assemblés en même temps que les pièces thermoélectriques et conductrices du dispositif selon l’invention. Puis, une fois ce dernier assemblé, il est soumis à un chauffage ou à une thermocompression afin de faire fondre ou fritter le matériau des anneaux de joints.
Outre la solidarisation des pièces, l’emploi de tels joints permet d’améliorer le contact électrique entre les différents anneaux.
Alternativement aux joints, ou de manière supplémentaire, un bridage par ressort peut être utilisé, par exemple celui illustré à la figure 20.Notamment, les pièces de connexion interne aux deux extrémités du dispositif se prolongent par un cylindre fileté sur lequel sont montés deux ressorts 76 maintenus sous pression par deux écrous 78 vissés sur le filetage des pièces de connexion interne.
Afin d’améliorer la qualité du contact pressé, il est également possible d’utiliser des joints type graphite souple ou des métaux ductiles entre les anneaux de connexion électrique et les anneaux thermoélectriques, ce qui permet de compenser les dilations et contractions des différentes pièces lorsqu’elles sont sujettes à des cycles thermiques.
Si l’un des fluides est électriquement conducteur (par exemple de l’eau), il est avantageux de procéder à l’isolation électrique des anneaux afin d’éviter tout court-circuit dans le fluide. Afin de procéder à l’isolation électrique, il est possible de recourir à plusieurs méthodes, par exemple : a. isolation entre le fluide et les anneaux de conduction thermique par un tube isolant électrique et thermiquement conducteur type céramique (alumine ou autre), métal recouvert par un isolant (aluminium anodisé ou autre) ou polymère chargé ayant une bonne conductivité thermique ; et/ou b. isolation électrique des anneaux de conduction électrique en procédant au dépôt d’un isolant électrique par injection (joint silicone ou cément céramique), ou par un dépôt de type couche mince en phase liquide (sol-gel, MOD) ou en phase vapeur (CVD, PVD) d’une céramique (alumine, silice, zircone, YSZ, . . .)
Il a été décrit un dispositif constitué de pièces formées d’éléments cylindriques de révolution circulaire. D’autres types de cylindre peuvent être utilisés, notamment des cylindres à base ovale, polygonale (e.g. carré), etc.
Les anneaux thermoélectriques sont réalisés de manière connue en soi, e.g. par frittage (naturel ou sous pression (presse uni-axiale, isostatique ou SPS (pour l’acronyme anglo-saxon « spark plasma sintering »)), par moulage, par injection de poudre, par forgeage, par extrusion en complément ou non d’un usinage. De même, les pièces de connexion sont fabriquées d’une manière connue en soi, e.g. par forgeage, injection, moulage, usinage, ...
La figure 21 illustre un exemple d’utilisation des dispositifs tubulaires selon l’invention. Une pluralité de dispositifs selon l’invention est raccordée à un circuit de circulation d’eau froide (non représenté), qui injecte de l’eau dans leurs tubes internes, et à un circuit de circulation d’air chaud sur leur tube externe. A titre d’exemple numérique illustré à la figure 22, un échangeur air-eau comportant 4 dispositifs thermoélectriques selon l’invention de 200 millimètres de long et 14 millimètres de diamètre, comportant chacun 10 jonctions annulaires n-p. Les anneaux thermoélectriques de type p (MnSi) et de type n (MgSiSn) ont une hauteur de 6 millimètres, un diamètre interne R2 = 2,5 mm et un diamètre externe RI = 4,5 mm. Les anneaux conducteur des pièces de connexion interne sont constitués de cuivre nickelé et sont sertis sur des tubes en polymère chargé d’alumine permettant la circulation d’eau froide. Les anneaux conducteurs des pièces de connexion externe sont réalisés en aluminium et recouvert d’un dépôt Ti/Ni sur leurs faces transversales en contact avec les anneaux thermoélectriques. Les cylindres creux desdites pièces sont anodisés sur leur partie en contact avec l’air chaud. L’assemblage des anneaux thermoélectriques est réalisé au moyen d’un bridage à ressort et la connexion électrique est favorisée par l’insertion de rondelles de graphite souple positionnées entre les anneaux thermoélectriques et les anneaux conducteurs. L’utilisation de ce type de connexion électrique induit une perte électrique de l’ordre de 10 % (avec des rondelles graphite de l’ordre de 150 micromètres), mais offre une plus grande robustesse à l’assemblage vis-à-vis des contraintes thermomécaniques et des cyclages thermiques.
Le fluide froid (e.g. eau injecté par le circuit de liquide de refroidissement d’une automobile) circule à l’intérieur du tube polymère chargé en alumine (température d’entrée = 30°C, débit = 0,5 L/min).
Le fluide chaud (e.g. fumées d’échappement, le pot constituant dans cet exemple le circuit de circulation de fluide chaud) circule à l’extérieur des dispositifs thermoélectriques (e.g. température d’entrée = 450°C, débit = 0,2 m3/min).
La figure 23 illustre le profil des différentes températures (fumées, liquide de refroidissement et dispositif thermoélectrique) le long de l’axe principal des dispositifs thermoélectriques.
La puissance thermique échangée dans ce système à base de 4 dispositifs est de l’ordre de 220 W.
Avec des matériaux thermoélectriques constitués de MnSi et de MgSiSn (ZTmoyen = 0,5 à 200°C), la puissance électrique générée par cet échangeur à 4 dispositifs est de l’ordre de 8 W, pour une tension en circuit ouvert de 2 V.
Dans l’exemple précédent, le dispositif selon l’invention est utilisé dans une pompe à chaleur Peltier fonctionnant comme générateur de tension et de courant en étant raccordé à un circuit d’injection de fluide froid et de circulation de fluide chaud respectivement dans le tube interne et sur le tube externe.
Le dispositif peut également être utilisé dans une pompe à chaleur Peltier fonctionnant comme refroidisseur par exemple. Notamment, en injectant dans le dispositif un courant électrique par deux électrodes aux contacts par exemple des pièces de connexion interne les plus extrêmes et en injectant un fluide dans le tube interne du dispositif au moyen d’un circuit d’injection, ledit fluide subit alors un refroidissement.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif thermoélectrique tubulaire comprenant au moins une séquence de pièces cylindriques et coaxiales, ladite séquence étant constituée : d’une première et d’une seconde pièces de connexion interne (52) comprenant chacune un cylindre creux (54) et un anneau électriquement conducteur (50) faisant saillie d’une face latérale externe (56) dudit cylindre (54), les cylindres creux des deux pièces de connexion interne coopérant de manière à former un tube interne (42) ; de premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48) ayant des coefficients Seebeck différents, enchâssés sur lesdits cylindres creux (54) entre lesdits anneaux électriquement conducteurs (50) et étant en contact respectif avec ces derniers ; et - une pièce de connexion externe (58) comprenant un cylindre creux (60) et un anneau électriquement conducteur (50) faisant saillie d’une face latérale interne (62) dudit cylindre (60), le cylindre creux (60) de la pièce de connexion externe (58) logeant au moins le premier et le second anneaux thermoélectriques (46, 48), et l’anneau électriquement conducteur (50) de la pièce de connexion externe (58) étant disposé entre les premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48), au contact de chacun de ces derniers, et enchâssé sur au moins un cylindre creux (54) d’une parmi les première et seconde pièces de connexion interne (52).
- 2. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon la revendication 1, dans lequel chacun des anneaux conducteurs d’électricité (50) et thermoélectriques (46, 48) est un cylindre de révolution circulaire et de bases planes et perpendiculaires à l’axe du cylindre.
- 3. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon la revendication 1, dans lequel chacun des anneaux conducteurs d’électricité (50) et thermoélectriques (46, 48) est un cylindre de révolution circulaire et de bases coniques, et dans lequel les bases coniques en regard de deux desdits anneaux ont une forme complémentaire de manière à s’emboîter.
- 4. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel : l’anneau électriquement conducteur (50) de la pièce de connexion externe (58) est uniquement enchâssé sur un cylindre creux (54) d’une parmi les première et seconde pièces de connexion interne (52) ; et/ou le cylindre creux (60) de la pièce de connexion externe (58) loge sans contact au moins le premier et le second anneaux thermoélectriques (46, 48).
- 5. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier et le second anneaux thermoélectriques (46, 48) sont constitués de Calcogénures, notamment du Bi2Te3 ou du PbTe, d’un siliciure, notamment du SiGe, du MnSi ou du MgSi, d’un matériau Half-Heusler, et/ou d’une Skutterudite.
- 6. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les anneaux électriquement conducteurs (50) des pièces de connexion interne et externe (52, 58) sont constitués de cuivre, d’aluminium, d’argent, de nickel, de tungstène, de graphite et/ou d’un alliage d’au moins deux de ces matériaux.
- 7. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, comprenant un tube en matériau électriquement isolant enchâssé dans le tube interne défini par les pièces de connexion interne et/ou enchâssant le cylindre creux de la pièce de connexion externe.
- 8. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la face latérale externe des cylindres creux des pièces de connexion interne et/ou la face latérale externe du cylindre creux de la pièce de connexion externe est constituée ou est recouverte d’un matériau électriquement isolant.
- 9. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, comprenant un joint (74) électriquement conducteur entre chaque paire d’anneaux (46, 48, 50) en contact parmi les anneaux électriquement conducteurs (50) des pièces de connexion interne et externe (52, 58) et les premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48).
- 10. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les pièces du dispositif sont pressées les unes contre les autres par un bridage à ressort (76, 78).
- 11. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la surface latérale interne des cylindres creux des pièces de connexion interne est nervurée.
- 12. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la surface latérale externe du cylindre creux de la pièce de connexion externe est nervurée.
- 13. Dispositif thermoélectrique tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les pièces de connexion interne et externe vérifient les relations suivantes : 0,3 x (hn + hp + e 1.2 + e2.2) < L1 < 0,95 x (hn + hp + e 1.1 + e2.2) 0,3 x (hn + hp + e 1.2 + e2.2) < L2 < 0,95 x (hn + hp + e 1.1 + e2.2) expressions dans lesquelles : L\ est la longueur de la pièce de connexion interne (52), L2 est la longueur de la pièce de connexion externe (58), hn et hp sont les hauteurs respectives des premier et second anneaux thermoélectriques (46, 48), el.l est l’épaisseur du cylindre creux (54) de la pièce de connexion interne (52), et e2.1 est l’épaisseur du cylindre creux (60) de la pièce de connexion externe (58).
- 14. Générateur de courant comprenant : au moins un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 ; deux bornes électriques, au contact de deux pièces de connexion extrêmes du dispositif, pour la collecte de courant électrique ; - un circuit d’injection d’un fluide à une première température dans le tube interne du dispositif ; et - un circuit de circulation d’un fluide à une seconde température, différente de la première température, sur le cylindre creux de la pièce de connexion externe.
- 15. Pompe à chaleur Peltier comprenant : au moins un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 ; deux bornes électriques au contact de deux pièces de connexion extrêmes du dispositif ; - une source de courant connectée auxdites bornes pour injecter du courant dans le dispositif ; et - un circuit d’injection d’un fluide dans le tube interne du dispositif.
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