WO1994029656A1 - Dispositif de production de froid utilisant l'effet peltier - Google Patents

Dispositif de production de froid utilisant l'effet peltier Download PDF

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WO1994029656A1
WO1994029656A1 PCT/FR1994/000661 FR9400661W WO9429656A1 WO 1994029656 A1 WO1994029656 A1 WO 1994029656A1 FR 9400661 W FR9400661 W FR 9400661W WO 9429656 A1 WO9429656 A1 WO 9429656A1
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WO
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cells
cold
cell
peltier effect
cold production
Prior art date
Application number
PCT/FR1994/000661
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English (en)
Inventor
Michel Deficis
Alain Deficis
Original Assignee
Societe D'exploitation De Brevets Alain Deficis
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects

Definitions

  • the invention relates to a device for producing cold using the Peltier effect, intended to transmit frigories to a medium to be cooled from the energy supplied by an autonomous low voltage electrical source such as a vehicle battery, in particular an automobile battery. . It applies in particular, but not exclusively, to the production of containers intended for the freezing of biological samples, and to the production of devices for cooling the passenger compartment of a vehicle.
  • Such devices mainly comprise a cold production unit comprising one or more Peltier cells, a first exchanger for discharging the calories produced by these cells, and a second exchanger for transmitting the frigories produced by said cells to the medium at cool.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks and has the main objective of providing a device for producing cold space-saving whose energy consumption and the number of calories produced are optimized.
  • the invention relates to a device for producing cold intended for transmitting frigories to a medium to be cooled from the energy supplied by an autonomous low voltage electric source such as a vehicle battery, in particular automobile, of the type including:
  • a cold production unit comprising at least one Peltier effect cell capable of withstanding a maximum voltage V max,
  • this device is characterized in that:
  • each Peltier effect cell is: - connected so that the voltage U across each of said cells is between V max e ⁇ . 2 V max
  • the idea behind the invention was to use Peltier cells in a particular way in order to be able to produce frigories from the energy supplied by an autonomous low voltage source, such as a vehicle battery. .
  • the solution consists in operating the Peltier effect cells with a cooling power lower than its intrinsic capacities, making it possible to obtain optimal efficiency, on the one hand, as regards the ratio of frigories produced / power consumed and, on the other hand, as the ratio of frigories produced / calories to be evacuated.
  • This implementation therefore makes it possible to solve the two problems inherent in the production of cold from an independent source, since it leads to optimally reducing, on the one hand, the energy consumption necessary for this production of cold and, on the other hand, the number of calories produced and therefore the dimensions of the heat exchanger for discharging these calories.
  • the cold production assembly comprises at least one branch each comprising at least two cells arranged in series from the electrical point of view.
  • the cold production assembly comprises at least two branches of Peltier effect cells mounted in electrically parallel. This arrangement turns out to be, in particular, the best compromise for the production of a device intended for the controlled cooling of the passenger compartment of a vehicle.
  • the cold production assembly comprises a static accumulator comprising: - a core made of a material having a high thermal conductivity , and with a side contiguous to the cold side of Peltier effect cells,
  • At least one bar made of a material having a thermal conductivity lower than that of the first material, each of said bars being arranged to be in direct contact with the core without having direct contact with the Peltier effect cells.
  • a controlled temperature drop curve having for example three stages (rapid descent to the sowing temperature, level, slow descent) to a temperature of the order of minus 30 degrees.
  • the accumulator has indeed two functions: firstly, it makes it possible to obtain a rapid drop in temperature to the seeding temperature (approximately minus seven degrees). Secondly, during the landing, it accumulates frigories which constitute a reserve of cold which is restored at the end of the operation and which makes it possible to obtain the extreme temperature.
  • the core of the accumulator is preferably made of copper, and each bar of steel.
  • the accumulator The accumulator.
  • the cold production assembly comprises two cold production stages mounted in series from the thermal point of view, and the core of the accumulator is arranged so as to have a face attached to the cold side of the effect cells
  • Peltier of the first cold production stage and one side contiguous to the hot side of the Peltier effect cells of the second cold production stage.
  • a first application of the invention relates to a container capable of being supplied by means of an autonomous low voltage electrical source such as a vehicle battery, in particular an automobile battery, and intended for the freezing of biological samples placed in tubes, characterized in that it includes:
  • a cold production stage comprising at least one Peltier effect cell arranged with its cold face in contact with the storage compartment, a static accumulator comprising, on the one hand, a core made of a material having a high thermal conductivity, with a side contiguous to the hot side of the effect cells
  • Peltier of the second cold production stage and, on the other hand, at least one bar made of a material having a thermal conductivity lower than that of the first material, each of said bars being arranged to be in direct contact with the core without presenting any direct contact with Peltier cells in the second stage of cold production,
  • a cold production stage said first stage, comprising at least one effect cell
  • Another application relates to a device for cooling the interior of a vehicle, in particular a motor vehicle, provided with a battery, characterized in that it comprises: - an assembly for producing cold comprising at least one Peltier effect cell capable to support a maximum voltage V max, each of said cells being:
  • a circuit intended for the transmission of frigories, comprising heat exchange means having an exchange surface with the cold face of each Peltier effect cell, and a radiator intended for cooling the passenger compartment,
  • a circuit called a calorific circuit, with heat transfer fluid intended for the evacuation of calories, comprising heat exchange means having an exchange surface with the hot face of each Peltier effect cell, and a heat transfer fluid exchange radiator / cooling air.
  • the refrigeration circuit of this cooling device can advantageously be designed in two different ways.
  • the refrigeration circuit is a heat transfer fluid circuit, the radiator of which is a heat transfer fluid / air exchange radiator.
  • the heat exchange means then preferably consist of exchangers consisting of an enclosure of generally rectangular parallelepiped shape comprising two front faces, said enclosure comprising two lateral fluid passages, and an internal partition arranged to force the circulation of fluid. .
  • the means of exchange include at least an exchanger consisting of a plate made of a material having a high thermal conductivity, of dimensions greater than the overall dimensions, seen in plan, of the Peltier effect cells, said plate comprising at least one front face having at least a portion of planar surface equivalent to the size of the Peltier effect cells,
  • the radiator consists of elements made of a material having a high thermal conductivity, arranged so as to be in thermal contact with the plate, and adapted to form an exchange surface capable of allowing the transmission of frigories to a flow d cabin cooling air, - each Peltier effect cell is arranged with its cold face in contact with a flat surface portion of the plate.
  • the means for exchanging the refrigeration circuit consist of an exchanger comprising two front walls having at least one flat portion, made of a material having a high thermal conductivity,
  • the cold production assembly comprises two sub-assemblies each comprising at least two Peltier effect cells mounted in series, said subassemblies being arranged on either side of the exchanger of the refrigeration circuit so that the cold face of each cell composing them is arranged in contact with a flat portion of a front wall of said exchanger,
  • the heat circuit comprises two exchangers each comprising a front wall having at least one flat portion in contact with each cell of a sub-assembly for producing cold.
  • the cold production assembly comprises a plurality of Peltier cells arranged so as to extend in parallel one after the other,
  • the refrigeration circuit and the heat circuit each comprise exchangers interposed alternately between the cells so that one of the faces of each cell is facing a heat exchanger of the refrigeration circuit and that the other face of said cell is opposite of a heat circuit exchanger.
  • Such a cooling device has a design which is particularly suitable for industrial manufacturing because it overcomes the problems associated with the dimensional variations of Peltier effect cells.
  • this device comprises cells ordered one after the other and therefore physically independent of each other, so that the dimensional variations in thickness do not affect the performance of the device.
  • the Peltier effect cells are also advantageously electrically connected two by two in series so as to form n branches mounted in parallel, each provided with two cells mounted in series.
  • two exchanger designs can be envisaged.
  • exchangers can thus have two front faces having at least one planar portion, made of a material having a high thermal conductivity, the cells being arranged with each of their faces in contact with a planar portion of said front faces of the exchangers.
  • these exchangers can, moreover, form an enclosure inside which circulates a heat transfer fluid, or else consist of a plate for direct transmission of frigories to the cooling air, as described above.
  • the exchangers can also have two front faces having at least one flat portion, each provided with an opening of shape conjugate with that of the cells, arranged to allow positioning of said cells so that their cold and hot faces are in direct contact with the corresponding heat transfer fluid.
  • the refrigeration circuit includes at the exchangers:
  • a good thermal conductor consisting either of the ceramic of the Peltier effect cells and of the material of the front faces of the exchangers, or of the ceramic of the cells alone,
  • the heat transfer fluid generally water
  • circulating fluid a fluid that circulates the heat transfer fluid
  • the heat transfer fluid can be used as an accumulator making it possible to constitute reserves of frigories, for example by controlling the flow of this fluid to the temperature regulation means inside the passenger compartment.
  • the heat exchange is optimized.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing in exploded mode the various elements constituting a first embodiment of the cold production device according to the invention intended for the freezing of biological samples,
  • FIGS. 2a, 2b are the working charts of the Peltier effect cells of the first cold production stage of this device.
  • FIG. 3a, 3b are the working charts of the Peltier effect cells of the second cold production stage
  • FIG. 4 is a hydraulic schematic diagram showing a second embodiment of the cold production device in accordance with invention intended for cooling the passenger compartment of a vehicle
  • FIG. 5 is a diagrammatic section through a vertical plane A representing the exchangers of this cold production device
  • FIG. 6 is a schematic sectional view through a horizontal plane of this device
  • FIG. 7 is a schematic longitudinal view partially in section through a vertical plane B, of a first variant of a device for cooling the passenger compartment of a vehicle,
  • FIG. 8 is a cross section by a plane C of this cooling device
  • FIG. 9 is a cross section thereof through a plane D
  • - Figure 10 is a front view
  • - Figure 11 is a partial schematic longitudinal section, on a vertical plane, of a second variant of the vehicle interior cooling device
  • FIG. 12 is a cross section through a plane E of this second variant, the Peltier effect cell being removed,
  • - Figure 13 is a schematic view showing a third variant of the vehicle interior cooling device
  • - Figure 14 shows the electrical diagram of the first, second and third variants of the vehicle interior cooling device
  • FIG. 15 is a graph showing the different operating parameters of this cooling device, under predetermined conditions.
  • the cold production devices shown diagrammatically in FIGS. 1 and 4 to 14 are intended to be supplied from the battery of a vehicle, in particular an automobile. (The values given as a numerical example below correspond to a 12-volt battery).
  • the device shown schematically in Figure 1 is intended to be integrated in an insulated container C for the freezing and transport of embryos.
  • This device comprises, first of all, a compartment 1 for storing the samples comprising a plurality of cylindrical housings 2 capable of each housing a sample tube.
  • This device further comprises, bonded to the underside of the storage compartment 1 by means of conductive grease or welded to this underside, the Peltier cells 3, 4 forming the second stage of cold production. These cells 3, 4 are two in number arranged in series.
  • the device also includes an accumulator 5 of rectangular parallelepiped shape with a core made of copper, on which are bonded the Peltier effect cells 3, 4, framed by two bars 7, 8 made of steel.
  • the dimensions of the core 6 of this accumulator 5 are designed so that the Peltier cells 3, 4 of the second cold production stage are in contact with this single core and therefore have no contact zone with the bars 7, 8 .
  • the device further comprises another cold production stage, called the first stage, consisting of two Peltier effect cells 9, 10 mounted in series, glued under the core 6 of the accumulator 5 or welded to the latter, of so as to come into contact only with this one nucleus.
  • the first stage consisting of two Peltier effect cells 9, 10 mounted in series, glued under the core 6 of the accumulator 5 or welded to the latter, of so as to come into contact only with this one nucleus.
  • the device comprises means for evacuating the calories produced by the Peltier effect cells 9, 10 of the first stage.
  • These means comprise a thermal transmitter 11 consisting of an enclosure provided with an upper face bonded or welded to the Peltier effect cells 9, 10 of the first stage.
  • These evacuation means further comprise a circuit 12 with heat transfer fluid, such as water, forming a closed loop integrating the thermal transmitter 11, and a heat transfer fluid exchange radiator 13 / air.
  • a fan 14 provides cooling, on the air side, of the exchanger 13.
  • the Peltier cells 3, 4 forming the second stage are cells with nominal values 12 volts / 6 amps, the abacuses of which are shown in FIGS. 2a, 2b. These cells 3, 4 are connected in series so as to be traversed by a current 6 volts / 3 amps.
  • the power to be removed by the first stage of cold production for all of these two cells 3, 4 is therefore twice (18 W + 18 W) or 72 watts for a total production in cold Wf of 36 watts.
  • the Peltier effect cells 9, 10 forming the first stage of cold production are selected so as to be able to provide a cooling power Wf substantially double that provided by cells 3, 4 of the second stage.
  • the cells 9, 10 selected are cells with nominal values 12 volts / 12 amps. They are connected in series so as to be crossed by a current 6 volts / 6 amps.
  • the power to be evacuated by the evacuation means for all of these two cells 9, 10 is therefore twice (36 W + 36 W) or 144 watts for a total production of cold of 72 watts.
  • the accumulator 5 of this device has two functions. Firstly, it makes it possible to obtain a rapid temperature downward curve up to the seeding temperature thanks to the high conductivity coefficient of the core 6. Then, during the plateau observed at this seeding temperature, the frigories produced are accumulated in the bars 7, 8 and constitute a cold reserve allowing to descend thereafter to the extreme temperature (of the order of minus 35 ° C) with the desired descent curve. It should be noted that the contribution of this cold reserve is essential, because it compensates for the drop in efficiency that Peltier effect cells exhibit when the difference in temperature between the hot and cold sides of the latter becomes very important.
  • connection means making it possible to supply it from the battery of a vehicle, for example by connecting this device to the supply of the cigarette lighter. .
  • control circuits (R) with transistors capable of making it possible to control the electrical powers supplied so as to comply with the predetermined temperature drop curves.
  • the device consists of a device for cooling the passenger compartment of a vehicle.
  • This device consists of a central exchanger 15, on either side of which are mounted two identical assemblies each composed of a cold production stage 16, 17, and a heat exchanger 18, 19. These heat exchangers are mounted in a calorific circuit for evacuating the calories produced by the cold production stages, and comprising a pump 20 and a radiator 21.
  • the central exchanger 15 is in the form of a rectangular parallelepipedic enclosure provided with passageways fluid such as 22, delimited by two front walls 23, 24 made of copper.
  • This exchanger 15 is mounted in a closed loop in a refrigeration circuit for transmitting frigories comprising a pump 25 and a radiator 26 intended to cool the air supplied to the passenger compartment of the vehicle by means of a blower system 27.
  • Each cold production stage 16, 17, arranged on either side of the accumulator, comprises four Peltier effect cells such as 16a, 16b, 17a, 17b with nominal values 12 volts / 12 amps including the operating charts are shown in Figures 3a and 3b. These cells are arranged with their cold face in contact with one of the front walls 23, 24 of the exchanger 15, and are bonded to the latter by means of conductive grease, or welded to the latter. These cells 16a, 16b, 17a, 17b are supplied by means of the vehicle battery and are associated with thermal safety relays such as 28 bonded to said cells. In addition, they are mounted in two branches arranged in parallel and each comprising two cells in series. Therefore, the current passing through each of the cells is a current 6 volts / 6 amps.
  • each produces, when cold, power Wf of approximately 70 watts for a consumption We of 6 VX 6 A 36 watts (ratio substantially of two).
  • the power to be removed for each of these cold production stages is four times (70 W + 36 W) or 524 watts, for a total cold production of 280 watts.
  • each heat exchanger 18, 19 consists of an enclosure of rectangular parallelepiped shape, one face of which, made of copper, is bonded or welded to the hot face of the Peltier effect cells of the corresponding cold production stage 16, 17.
  • This enclosure has two fluid passages such as 29, 30, and a partition 31 extending longitudinally between the two fluid passages and intended to force circulation in said enclosure.
  • the device shown in Figure 7 also intended for cooling the passenger compartment of a vehicle, constitutes a variant of the device described above, better suited to industrial manufacture since it makes it possible to overcome the problems associated with dimensional variations in the thicknesses of Peltier effect cells.
  • the device represented in FIG. 7 includes cells such as 32, 33 ordered one after the other with interposition between two cells alternately either of an exchanger, called hot, 34 mounted in a calorific circuit for evacuating calories, or of an exchanger, said cold, 35 mounted in a refrigeration circuit for transmitting frigories.
  • the exchangers 34, 35 are identical and are made up of a rectangular parallelepiped enclosure 36 provided with two fluid passages 37, 38 arranged towards the ends opposite two contiguous lateral faces, and obstructed by two front plates 39, 40 made of copper.
  • Each enclosure 36 further comprises an internal partition 41 extending along one of the diagonals of said enclosure, and arranged to form two compartments into each of which opens a fluid passage 37, 38 and thus force the circulation of fluid.
  • Each partition 41 is pierced with an orifice 42 for communication between the compartments, formed towards its lower end opposite to the fluid passages 37, 38.
  • These partitions 41 are also pierced with another orifice 43 towards their upper end, adjacent to the passages of fluid, intended to prevent the accumulation of air bubbles when filling the enclosure.
  • the hot exchangers 34 and cold 35 are arranged in position
  • FIGS. 11 and 12 are of the same design as that described above, that is to say that it comprises a plurality of Peltier effect cells 32, 33 arranged one at a time. following the others with interposition between two 5 cells either of a hot exchanger 54, or of a cold exchanger 55.
  • the difference between these two variants lies in the design of the exchangers 54, 55.
  • the latter are in the form of a rectangular frame 56, produced by molding, forming a rectangular parallelepiped enclosure delimited by two open front faces provided with a peripheral ent shoulder 57 of height less than the thickness of the electrical insulation of the Peltier cells 32, 33, arranged to define a housing for said cells.
  • This frame 56 is pierced with two fluid passages 58, 59 offset by 90 degrees, arranged respectively towards the upper end of one of the side faces, and towards the end of the upper side face opposite the aforementioned side face.
  • Each frame is, moreover, provided with a median internal partition 60 of separation, extending orthogonally with respect to the upper face of said frame and of a length substantially equal to two-thirds of the internal height of the latter.
  • a partition 60 has, like the partition 41 of the first variant, the function of forcing the circulation of fluid between the two fluid passages 58, 59. It should be noted, moreover, that the design of this partition 60, d on the one hand, avoids having to provide an orifice preventing the accumulation of bubbles, and on the other hand, facilitates the machining operations.
  • Such exchangers 54, 55 are therefore designed so that the Peltier effect cells 32, 33 form the front walls of said exchangers, the thermal insulator, generally made of ceramic, of said cells being in direct contact with the heat transfer fluids.
  • the hot 54 and cold 55 exchangers are arranged in an inverted position so that the fluid passages 58, 59 are offset.
  • these exchangers are connected via end pieces such as 61, 62 to manifolds 63, 64.
  • the assembly of the various elements is carried out by means of a seal 65 of waterproof adhesive having thermal insulating properties, connecting the frames 56 around the periphery of the effect cells Peltier 32, 33.
  • FIG. 4 also applies to the two variants described above, this diagram then constituting a partial diagram in which only one hot exchanger 34 or 54, and two cold exchangers 35 or 55 are represented.
  • this diagram then constituting a partial diagram in which only one hot exchanger 34 or 54, and two cold exchangers 35 or 55 are represented.
  • the cooling device shown in FIG. 13 is also of the same design as those described above, that is to say that it comprises a plurality of Peltier effect cells 32, 33 ordered one after the other. others with interposition between two cells either of a hot exchanger or of a cold exchanger.
  • the difference compared to the previous devices lies in the design of the refrigeration circuit which no longer comprises heat transfer fluid, but is adapted so that the frigories are transmitted directly to a stream of cooling air of a vehicle.
  • the cold production assembly consisting of cells 32, 33, the refrigeration circuit, and the heat exchange means of the heat circuit are arranged in a thermally insulated sheath 66, intended to convey the cooling air of the passenger compartment of the vehicle.
  • the heat circuit includes hot exchangers 67 of the type described in one or the other of the two preceding variants, the fluid passages of which are connected to a manifold 69 (of which only a section external to the sheath 66 is shown) by end caps such as 68.
  • the refrigeration circuit comprises, for its part, exchangers consisting of flat plates 70 made of a material such as copper or aluminum, the central portion of each of the faces of which is in contact with a Peltier effect cell 32, 33.
  • Each of these plates 70 is, moreover, associated with an exchanger 71 in the form of fins made of a material such as aluminum, secured to said plates so as to be in thermal contact with the latter.
  • Peltier cells 32, 33 used for each of the three variants described above is ten, these cells, as shown in FIG. 13, being electrically connected two by two in series so as to form five branches in parallel each made up of two cells in series.
  • these cells are selected so that the cumulative overall efficiency coefficient CeF of all the cells is such that: CeF x WF x Im Wm x I is greater than or equal to one, with:
  • FIG. 15 is a graph representing the various operating parameters of a cooling device as described above, under the following conditions:
  • the cooling power WF obtained is then of the order of 600 W, with a ratio - of 1.76.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de production de froid destiné à transmettre des frigories à un milieu à refroidir à partir de l'énergie fournie par une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile. Ce dispositif comprend un ensemble de production de froid comportant au moins une cellule à effet Peltier (9, 10, 32, 33) apte à supporter une tension maximale V max, un premier échangeur (11, 34) d'évacuation des calories produites et un deuxième échangeur (1, 35) destiné à transmettre les frigories produites. Selon l'invention, chaque cellule (9, 10) à effet Peltier est connectée de façon que la tension U à ses bornes soit comprise entre V max/3 et 2 V max/3. De plus, ces cellules (9, 10) sont adaptées pour présenter un coefficient d'efficacité: Cef = Wf/We x Wf/(Wf+We) » 1, Wf et We représentant la puissance frigorifique fournie par la cellule et la puissance électrique consommée par cette cellule.

Description

DISPOSITIF DE PRODUCTION DE FROID UTILISANT L'EFFET PELTIER
L'invention concerne un dispositif de production de froid utilisant l'effet Peltier, destiné à transmettre des frigories à un milieu à refroidir à partir de 1'énergie fournie par une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile. Elle s'applique notamment, mais de façon non exclusive, à la réalisation de conteneurs destinés à la congélation d'échantillons biologiques, et à la réalisation de dispositifs de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule.
Il existe un grand nombre de brevets décrivant des dispositifs de production de froid utilisant l'effet Peltier et destinés à produire des frigories à partir de l'énergie fournie par une source électrique basse tension et notamment une batterie de véhicule automobile. De tels dispositifs comportent principalement un ensemble de production de froid comportant une ou plusieurs cellules à effet Peltier, un premier échangeur d'évacuation des calories produites par ces cellules, et un deuxième échangeur pour la transmission des frigories produites par lesdites cellules vers le milieu à refroidir.
Les applications principales de ces dispositifs de production de froid consistent en la réalisation de conteneurs pour la congélation d'échantillons biologiques (brevets DD 289.585, US 4 799 358, US 4 474 015, FR 2 655 716), et en la réalisation de dispositifs de rafraîchissement de l'habitacle de véhicules automobiles (brevets IT 1 129 134, FR 2 598 493, FR 2 540 978).
Toutefois, il n'existe à l'heure actuelle, à la connaissance des inventeurs, aucune réalisation industrielle concernant l'une ou l'autre application. Ceci s'explique par le fait que les dispositifs décrits dans ces brevets nécessitent un apport important d'énergie et produisent une quantité importante de calories à évacuer par rapport aux frigories récupérables, incompatibles avec le but recherché qui est de fournir un dispositif de faible encombrement alimenté par une source électrique basse tension autonome.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients et a pour principal objectif de fournir un dispositif de production de froid de faible encombrement dont la consommation d'énergie et le nombre de calories produites sont optimisés.
A cet effet, l'invention vise un dispositif de production de froid destiné à transmettre des frigories à un milieu à refroidir à partir de l'énergie fournie par une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile, du type comprenant :
- un ensemble de production de froid comportant au moins une cellule à effet Peltier apte à supporter une tension maximale V max,
- des premiers moyens d'échange thermique d'évacuation des calories produites par chaque cellule à effet Peltier,
- des deuxièmes moyens d'échange thermique destinés à transmettre les frigories produites par chaque cellule à effet Peltier au milieu à refroidir.
Selon l'invention, ce dispositif se caractérise en ce que :
- chaque cellule à effet Peltier est : - connectée de façon que la tension U aux bornes de chacune desdites cellules soit comprise entre V max e{. 2 V max
3 3
- adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef = "-£ x —*Zf > 1 avec :
We Wf + We
. Wf puissance frigorifique fournie par la cellule, . We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule.
L'idée à la base de l'invention a été d'utiliser les cellules à effet Peltier de façon particulière afin de pouvoir produire des frigories à partir de l'énergie fournie par une source autonome basse tension, telle qu'une batterie de véhicule.
La solution consiste à faire fonctionner les cellules à effet Peltier avec une puissance de froid inférieure à ses capacités intrinsèques permettant d'obtenir une efficacité optimale, d'une part, quant au rapport frigories produites/puissance consommée et, d'autre part, quant au rapport frigories produites/calories à évacuer. Cette mise en oeuvre permet donc de solutionner les deux problèmes inhérents à la production de froid à partir d'une source autonome, puisqu'elle conduit à diminuer de façon optimale, d'une part, la consommation d'énergie nécessaire à cette production de froid et, d'autre part, le nombre de calories produites et donc les dimensions de 1'échangeur d'évacuation de ces calories.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble de production de froid comprend au moins une branche comportant chacune au moins deux cellules disposées en série du point de vue électrique.
Avec les cellules à effet Peltier disponibles à ce jour sur le marché, cette solution est actuellement la plus simple à mettre en oeuvre et conduit par exemple dans la pratique : - pour une source de tension de 12 volts, à monter en série dans chaque branche deux cellules pouvant supporter une tension V max de 16 volts,
- pour une source de tension de 24 volts, à monter en série dans chaque branche trois cellules pouvant supporter une tension V max de 16 volts.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble de production de froid comporte au moins deux branches de cellules à effet Peltier montées en parallèle du point de vue électrique. Cette disposition s'avère être, notamment, le meilleur compromis en vue de la réalisation d'un dispositif destiné au rafraîchissement contrôlé de l'habitacle d'un véhicule. Par ailleurs, selon un mode de réalisation préférentiel visant particulièrement l'application de l'invention à la congélation d'embryons, l'ensemble de production de froid comporte un accumulateur statique comprenant : - un noyau réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, et doté d'une face accolée à la face froide des cellules à effet Peltier,
- et au moins un barreau réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique inférieure à celle du premier matériau, chacun desdits barreaux étant agencé pour être en contact direct avec le noyau sans présenter de contact direct avec les cellules à effet Peltier. Un tel dispositif s'applique plus particulièrement à la congélation d'embryons nécessitant une courbe contrôlée de descente de température présentant par exemple trois étapes (descente rapide jusqu'à la température d'ensemencement, palier, descente lente) jusqu'à une température de l'ordre de moins 30 degrés.
Lors de cette congélation, l'accumulateur a en effet deux fonctions : dans un premier temps, il permet d'obtenir une descente de température rapide jusqu'à la température d'ensemencement (environ moins sept degrés). Dans un deuxième temps, lors du palier, il accumule des frigories qui constituent une réserve de froid qui est restituée en fin d'opération et qui permet d'obtenir la température extrême.
En outre, le noyau de l'accumulateur est preferentiellement réalisé en cuivre, et chaque barreau en acier.
Ces deux matériaux constituent le meilleur compromis coût, et produit (densité x chaleur spécifique x vitesse de conduction) qui détermine l'efficacité de
1'accumulateur.
Selon une autre caractéristique de l'invention visant cette application, l'ensemble de production de froid comporte deux étages de production de froid montés en série du point de vue thermique, et le noyau de l'accumulateur est disposé de façon à présenter une face accolée à la face froide des cellules à effet
Peltier du premier étage de production de froid, et une face accolée à la face chaude des cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid.
Une première application de l'invention vise un conteneur apte à être alimenté au moyen d'une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile, et destiné à la congélation d'échantillons biologiques disposés dans des tubes, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un compartiment de stockage des tubes d'échantillons, - un compartiment de production de froid renfermant un dispositif de production de froid comportant :
. un étage de production de froid, dit deuxième étage, comportant au moins une cellule à effet Peltier disposée avec sa face froide en contact avec le compartiment de stockage, un accumulateur statique comprenant, d'une part, un noyau réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, et doté d'une face accolée à la face chaude des cellules à effet
Peltier du deuxième étage de production de froid et, d'autre part, au moins un barreau réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique inférieure à celle du premier matériau, chacun desdits barreaux étant agencé pour être en contact direct avec le noyau sans présenter de contact direct avec les cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid,
. un étage de production de froid, dit premier étage, comportant au moins une cellule à effet
Peltier disposée avec sa face froide en contact avec le noyau de l'accumulateur, chacune des cellules dudit premier étage et du deuxième étage étant : * connectée de façon que la tension U aux bornes de ladite cellule soit comprise entre v ax et ^ v ιnax ( où V max est la tension maximale pouvant 3 3 être supportée par la cellule, * adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef = — x —— > 1 avec :
We Wf + We
. Wf puissance frigorifique fournie par la cellule, . We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule. des moyens de contrôle et de régulation des puissances frigorifiques fournies, - un compartiment d'évacuation des calories produites par le premier étage de production de froid, comportant : un transmetteur thermique doté d'un circuit à fluide caloporteur, agencé pour être disposé en contact avec la face chaude des cellules à effet Peltier du premier étage de production de froid, un radiateur d'échange fluide caloporteur/air,
. et des moyens de ventilation du radiateur fluide caloporteur/air.
Une autre application vise un dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule, notamment automobile, doté d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend : - un ensemble de production de froid comportant au moins une cellule à effet Peltier apte à supporter une tension maximale V max, chacune desdites cellules étant :
. connectée de façon que la tension U aux bornes de ladite cellule soit comprise entre v max et 2 V max
3 3
- adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef _ "-£ x —^ > 1 avec :
We Wf + We
. Wf puissance frigorifique fournie par la cellule,
. We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule,
- un circuit, dit frigorifique, destiné à la transmission des frigories, comportant des moyens d'échange thermique présentant une surface d'échange avec la face froide de chaque cellule à effet Peltier, et un radiateur destiné au rafraîchissement de l'habitacle,
- un circuit, dit calorifique, à fluide caloporteur destiné à l'évacuation des calories, comportant des moyens d'échange thermique présentant une surface d'échange avec la face chaude de chaque cellule à effet Peltier, et un radiateur d'échange fluide caloporteur/air de refroidissement.
En outre, le circuit frigorifique de ce dispositif de rafraîchissement peut avantageusement être conçu de deux façons différentes.
Ainsi, selon une première variante de réalisation, le circuit frigorifique est un circuit à fluide caloporteur dont le radiateur est un radiateur d'échange fluide caloporteur/air. De plus, les moyens d'échange thermique consistent alors preferentiellement en des échangeurs constitués d'une enceinte de forme générale parallélépipédique rectangle comportant deux faces frontales, ladite enceinte comportant deux passages de fluide latéraux, et une cloison interne agencée pour forcer la circulation de fluide.
Selon une deuxième variante de réalisation concernant ce circuit frigorifique :
- les moyens d'échange comportent au moins un échangeur constitué d'une plaque en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, de dimensions supérieures à l'encombrement, vu en plan, des cellules à effet Peltier, ladite plaque comportant au moins une face frontale présentant au moins une portion de surface plane équivalant à l'encombrement des cellules à effet Peltier,
- le radiateur est constitué d'éléments réalisés en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, disposés de façon à être en contact thermique avec la plaque, et adaptés pour former une surface d'échange apte à permettre la transmission des frigories à un flux d'air de rafraîchissement de l'habitacle, - chaque cellule à effet Peltier est disposée avec sa face froide en contact avec une portion de surface plane de la plaque.
Un tel circuit frigorifique a pour avantage principal de présenter un radiateur en contact direct avec le flux d'air délivré dans l'habitacle. De ce fait, il ne nécessite pas la présence de moyens de circulation
(canalisation, pompe...) qu'impose la conception des circuits classiques à fluide caloporteur.
De plus, lors d'un arrêt de la ventilation, les frigories s'accumulent dans la plaque et son voisinage, de sorte que lors de la remise en route, ces frigories sont immédiatement disponibles et permettent de rafraîchir rapidement l'habitacle.
Par ailleurs, selon un premier mode de réalisation préférentiel visant le dispositif de rafraîchissement :
- les moyens d'échange du circuit frigorifique sont constitués d'un échangeur comportant deux parois frontales présentant au moins une portion plane, réalisées en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée,
1'ensemble de production de froid comporte deux sous-ensembles comportant chacun au moins deux cellules à effet Peltier montées en série, lesdits sous-ensembles étant disposés de part et d'autre de 1'échangeur du circuit frigorifique de façon que la face froide de chaque cellule les composant soit disposée en contact avec une portion plane d'une paroi frontale dudit échangeur,
- le circuit calorifique comporte deux échangeurs comportant chacun une paroi frontale présentant au moins une portion plane en contact avec chaque cellule d'un sous-ensemble de production de froid.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel visant le dispositif de rafraîchissement :
. 1'ensemble de production de froid comprend une pluralité de cellules à effet Peltier ordonnées de façon à s'étendre parallèlement les unes à la suite des autres,
. le circuit frigorifique et le circuit calorifique comportent chacun des échangeurs interposés alternativement entre les cellules de façon qu'une des faces de chaque cellule se trouve en regard d'un échangeur du circuit frigorifique et que l'autre face de ladite cellule se trouve en regard d'un échangeur du circuit calorifique.
Un tel dispositif de rafraîchissement présente une conception particulièrement adaptée à une fabrication industrielle car il permet de s'affranchir des problèmes liés aux variations dimensionnelles des cellules à effet Peltier.
En effet, ce dispositif comporte des cellules ordonnées les unes à la suite des autres et donc physiquement indépendantes les unes des autres, de sorte que les variations dimensionnelles d'épaisseur n'affectent pas le rendement du dispositif.
Selon cette variante, les cellules à effet Peltier sont, en outre, avantageusement, reliées électriquement deux à deux en série de façon à former n branches montées en parallèle dotées chacune de deux cellules montées en série. De plus, deux conceptions d'échangeur peuvent être envisagées.
Ces échangeurs peuvent ainsi comporter deux faces frontales présentant au moins une portion plane, réalisées en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, les cellules étant disposées avec chacune de leurs faces en contact avec une portion plane desdites faces frontales des échangeurs.
Selon cette conception, ces échangeurs peuvent, en outre, former une enceinte à l'intérieur de laquelle circule un fluide caloporteur, ou alors être constitués d'une plaque de transmission directe des frigories à l'air de rafraîchissement, telle que décrite plus haut. Selon une autre variante, les échangeurs peuvent également comporter deux faces frontales présentant au moins une portion plane, dotées chacune d'une ouverture de forme conjuguée de celle des cellules, agencée pour permettre de positionner lesdites cellules de façon que leurs faces froide et chaude se trouvent en contact direct avec le fluide caloporteur correspondant.
Il est à noter que, dans le cas où le circuit frigorifique est à fluide caloporteur, ces deux conceptions ont pour avantage commun de permettre de réaliser un accumulateur de frigories variable fonction du débit du fluide caloporteur dans le circuit frigorifique.
En effet, le circuit frigorifique comporte au niveau des échangeurs :
- un bon conducteur thermique constitué soit de la céramique des cellules à effet Peltier et du matériau des faces frontales des échangeurs, soit de la seule céramique des cellules,
- un mauvais conducteur thermique constitué du fluide caloporteur (généralement de l'eau), possédant une grande chaleur spécifique et une grande masse (fluide en circulation).
De ce fait, le fluide caloporteur peut être utilisé comme un accumulateur permettant de constituer des réserves de frigories, par exemple en asservissant le débit de ce fluide aux moyens de régulation de la température à l'intérieur de l'habitacle.
De plus, dans le cas où les cellules à effet Peltier sont en contact direct avec les fluides caloporteurs, l'échange thermique est optimisé.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de 1'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemples non limitatifs deux modes de réalisation préférentiels ainsi que trois variantes du second mode de réalisation. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description :
- la figure 1 est une vue en perspective schématique représentant en mode éclaté les différents éléments constitutifs d'un premier mode de réalisation de dispositif de production de froid conforme à l'invention destiné à la congélation d'échantillons biologiques,
- les figures 2a, 2b sont les abaques de fonctionnement des cellules à effet Peltier du premier étage de production de froid de ce dispositif,
- les figures 3a, 3b sont les abaques de fonctionnement des cellules à effet Peltier du second étage de production de froid, - la figure 4 est un schéma hydraulique de principe représentant un deuxième mode de réalisation de dispositif de production de froid conforme à l'invention destiné au rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule,
- la figure 5 est une coupe schématique par un plan vertical A représentant les échangeurs de ce dispositif de production de froid,
- la figure 6 est une vue en coupe schématique par un plan horizontal de ce dispositif,
- la figure 7 est une vue longitudinale schématique partiellement en coupe par un plan vertical B, d'une première variante d'un dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule,
- la figure 8 est une coupe transversale par un plan C de ce dispositif de rafraîchissement,
- la figure 9 en est une coupe transversale par un plan D,
- la figure 10 en est une vue frontale, - la figure 11 est une coupe longitudinale schématique partielle, par un plan vertical, d'une deuxième variante de dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule,
- la figure 12 est une coupe transversale par un plan E de cette deuxième variante, la cellule à effet Peltier étant retirée,
- la figure 13 est une vue schématique représentant une troisième variante de dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule, - la figure 14 représente le schéma électrique des première, deuxième et troisième variantes du dispositif de rafraîchissement d'un habitacle de véhicule,
- et la figure 15 est un graphique représentant les différents paramètres de fonctionnement de ce dispositif de rafraîchissement, dans des conditions prédéterminées.
Les dispositifs de production de froid représentés schématiquement aux figures 1 et 4 à 14, sont destinés à être alimentés à partir de la batterie d'un véhicule, notamment automobile. (Les valeurs données à titre d'exemple numérique ci-après correspondent à une batterie 12 volts).
Le dispositif représenté schématiquement à la figure 1 est destiné à être intégré dans un conteneur isotherme C en vue de la congélation et du transport d'embryons.
Ce dispositif comprend, en premier lieu, un compartiment 1 de stockage des échantillons comportant une pluralité de logements cylindriques 2 aptes à loger chacun un tube d'échantillon.
Ce dispositif comprend, en outre, collées en sous-face du compartiment de stockage 1 au moyen de graisse conductrice ou soudées à cette sous-face, les cellules à effet Peltier 3, 4 formant le deuxième étage de production de froid. Ces cellules 3, 4 sont au nombre de deux disposées en série.
Le dispositif comprend, par ailleurs, un accumulateur 5 de forme parallelepipedique rectangle doté d'un noyau réalisé en cuivre, sur lequel sont collées les cellules à effet Peltier 3, 4, encadré de deux barreaux 7, 8 réalisés en acier. Les dimensions du noyau 6 de cet accumulateur 5 sont conçus pour que les cellules à effet Peltier 3, 4 du deuxième étage de production de froid soient au contact de ce seul noyau et ne présentent par conséquent aucune zone de contact avec les barreaux 7, 8.
Le dispositif comprend, en outre, un autre étage de production de froid, dit premier étage, constitué de deux cellules à effet Peltier 9, 10 montées en série, collées sous le noyau 6 de 1'accumulateur 5 ou soudées à ce dernier, de façon à ne venir en contact qu'avec ce seul noyau.
Le dispositif comprend, enfin, des moyens d'évacuation des calories produites par les cellules à effet Peltier 9, 10 du premier étage. Ces moyens comprennent un transmetteur thermique 11 consistant en une enceinte dotée d'une face supérieure collée ou soudée aux cellules à effet Peltier 9, 10 du premier étage. Ces moyens d'évacuation comportent, en outre, un circuit 12 à fluide caloporteur, tel que de l'eau, formant une boucle fermée intégrant le transmetteur thermique 11, et un radiateur d'échange 13 fluide caloporteur/air. Enfin, un ventilateur 14 assure le refroidissement, côté air, de l'échangeur 13.
Les cellules à effet Peltier 3, 4 formant le deuxième étage sont des cellules de valeurs nominales 12 volts/6 ampères dont les abaques sont représentées aux figures 2a, 2b. Ces cellules 3, 4 sont montées en série de façon à être traversées par un courant 6 volts/3 ampères.
Tel qu'il ressort des abaques, pour une différence de température de 30 degrés entre les faces froide et chaude de ces cellules 3, 4, chacune d'elles fournit une puissance Wf de 18 watts de froid, pour une consommation We de 6 V X 3 A = 18 watts (rapport de un). La puissance à évacuer par le premier étage de production de froid pour l'ensemble de ces deux cellules 3, 4 est donc de deux fois (18 W + 18 W) soit 72 watts pour une production totale en froid Wf de 36 watts.
Les cellules à effet Peltier 9, 10 formant le premier étage de production de froid sont quant à elles sélectionnées de façon à pouvoir fournir une puissance frigorifique Wf sensiblement double de celle fournie par les cellules 3, 4 du deuxième étage.
Les cellules 9, 10 sélectionnées, dont les abaques de fonctionnement sont représentées aux figures 3a et 3b, sont des cellules de valeurs nominales 12 volts/12 ampères. Elles sont montées en série de façon à être traversées par un courant 6 volts/6 ampères.
Tel qu'il ressort des abaques, pour une différence de température de 30 degrés entre les faces froide et chaude de ces cellules 9, 10, chacune d'elles fournit une puissance Wf de 36 watts de froid, pour une consommation We de 6 V X 6 A = 36 W (rapport de un). La puissance à évacuer par les moyens d'évacuation pour l'ensemble de ces deux cellules 9, 10 est donc de deux fois (36 W + 36 W) soit 144 watts pour une production totale en froid de 72 watts.
L'accumulateur 5 de ce dispositif a, quant à lui, deux fonctions. Dans un premier temps, il permet d'obtenir une courbe de descente de température rapide jusqu'à la température d'ensemencement grâce au coefficient de conductibilité élevé du noyau 6. Ensuite, durant le palier observé à cette température d'ensemencement, les frigories produites sont accumulées dans les barreaux 7, 8 et constituent une réserve de froid permettant de descendre par la suite à la température extrême (de l'ordre de moins 35° C) avec la courbe de descente désirée. Il est à noter que l'apport de cette réserve de froid est primordial, car il permet de compenser la baisse d'efficacité que présentent les cellules à effet Peltier lorsque l'écart de température entre les faces chaude et froide de ces dernières devient très important.
En dernier lieu, le dispositif décrit ci- dessus est équipé de façon classique de moyens de connexion permettant de l'alimenter à partir de la batterie d'un véhicule, par exemple en raccordant ce dispositif à l'alimentation de l'allume-cigares.
De plus, les deux étages de production de froid sont alimentés par l'intermédiaire de circuits de commande (R) à transistors aptes à permettre de contrôler les puissances électriques fournies de façon à respecter les courbes de descente de température prédéterminées.
Le dispositif dont le schéma hydraulique est représenté à la figure 4 consiste, quant à lui, en un dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule.
Ce dispositif se compose d'un échangeur central 15, de part et d'autre duquel sont montés deux ensembles identiques composés chacun d'un étage de production de froid 16, 17, et d'un échangeur thermique 18, 19. Ces échangeurs thermiques sont montés dans un circuit calorifique d'évacuation des calories produites par les étages de production de froid, et comportant une pompe 20 et un radiateur 21. L'échangeur central 15 se présente sous la forme d'une enceinte parallelepipedique rectangle dotée de passages de fluide tel que 22, délimitée par deux parois frontales 23, 24 réalisées en cuivre.
Cet échangeur 15 est monté en boucle fermée dans un circuit frigorifique de transmission des frigories comportant une pompe 25 et un radiateur 26 destiné à rafraîchir l'air délivré dans l'habitacle du véhicule au moyen d'un système de soufflerie 27.
Chaque étage de production de froid 16, 17, disposé de part et d'autre de l'accumulateur, comporte quatre cellules à effet Peltier telles que 16a, 16b, 17a, 17b de valeurs nominales 12 volts/12 ampères dont les abaques de fonctionnement sont représentées aux figures 3a et 3b. Ces cellules sont disposées avec leur face froide au contact d'une des parois frontales 23, 24 de 1'échangeur 15, et sont collées sur ces dernières au moyen de graisse conductrice, ou soudées à ces dernières. Ces cellules 16a, 16b, 17a, 17b sont alimentées au moyen de la batterie du véhicule et sont associées à des relais thermiques de sécurité tels que 28 collés sur lesdites cellules. De plus, elles sont montées selon deux branches disposées en parallèle et comportant chacune deux cellules en série. De ce fait, le courant traversant chacune des cellules est un courant 6 volts/6 ampères.
Tel qu'il ressort des abaques, pour une différence de température de 10 degrés entre les faces froide et chaude de ces cellules (différence de température recherchée pour le rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule), chacune produit, en froid, une puissance Wf d'environ 70 watts pour une consommation We de 6 V X 6 A = 36 watts (rapport sensiblement de deux). La puissance à évacuer pour chacun de ces étages de production de froid est quant à elle de quatre fois (70 W + 36 W) soit 524 watts, pour une production totale en froid de 280 watts.
Par conséquent, si l'on cumule les deux étages de production de froid 16, 17, on obtient une production de froid de 560 watts pour une consommation d'énergie de 288 W comparable sensiblement à la consommation des phares d'un véhicule automobile.
Enfin, chaque échangeur thermique 18, 19 consiste en une enceinte de forme parallelepipedique rectangle dont une face, réalisée en cuivre, est collée ou soudée à la face chaude des cellules à effet Peltier de l'étage de production de froid 16, 17 correspondant. Cette enceinte est dotée de deux passages de fluide tels que 29, 30, et d'une cloison 31 s'étendant longitudinalement entre les deux passages de fluide et destinée à forcer la circulation dans ladite enceinte.
Le dispositif représenté à la figure 7, également destiné au rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule, constitue une variante au dispositif décrit ci- dessus, mieux adapté à une fabrication industrielle car il permet de s'affranchir des problèmes liés aux variations dimensionnelles des épaisseurs des cellules à effet Peltier.
En effet, contrairement au dispositif ci- dessus décrit doté de deux étages de production de froid comportant chacun quatre cellules disposées dans un même plan dont l'épaisseur doit être rigoureusement identique pour obtenir un bon rendement, le dispositif représenté à la figure 7 comporte des cellules telles que 32, 33 ordonnées les unes à la suite des autres avec interposition entre deux cellules alternativement soit d'un échangeur, dit chaud, 34 monté dans un circuit calorifique d'évacuation des calories, soit d'un échangeur, dit froid, 35 monté dans un circuit frigorifique de transmission des frigories.
De ce fait, les variations dimensionnelles des épaisseurs des cellules ne rentrent plus en ligne de compte car chaque cellule est indépendante physiquement de ses voisines.
Tel que représenté aux figures 7, 8 et 9, les échangeurs 34, 35 sont identiques et sont composées d'une enceinte 36 parallelepipedique rectangle dotées de deux passages de fluide 37, 38 ménagés vers les extrémités en regard de deux faces latérales contiguës, et obstruée par deux plaques frontales 39, 40 réalisées en cuivre.
Chaque enceinte 36 comporte, en outre, une cloison interne 41 s'étendant selon une des diagonales de ladite enceinte, et agencée pour former deux compartiments dans chacun desquels débouche un passage de fluide 37, 38 et ainsi forcer la circulation de fluide.
Chaque cloison 41 est percée d'un orifice 42 de communication entre les compartiments, ménagé vers son extrémité basse opposée aux passages de fluides 37, 38. Ces cloisons 41 sont également percées d'un autre orifice 43 vers leur extrémité haute, voisine des passages de fluide, destinée à éviter l'accumulation de bulles d'air lors du remplissage de l'enceinte.
Tel que représenté aux figures 8 à 10, les échangeurs chauds 34 et froids 35 sont disposés en position
5. inversée (décalage de 180° par rapport à un axe vertical) les uns par rapport aux autres, de façon que les passages de fluide 37, 38 se trouvent décalés.
Ces passages de fluide peuvent être ainsi aisément raccordés, par l'intermédiaire d'embouts tels que 0 44, 45, à des collecteurs 46, 47 montés de façon classique en boucle fermée respectivement dans un circuit calorifique, et un circuit frigorifique, la configuration de ces circuits étant strictement identique à celle du dispositif représenté à la figure 4. 5 Le maintien mécanique de l'ensemble est assuré, en premier lieu, au moyen de deux cornières transversales 48 plaquées sur les faces externes des échangeurs d'extrémité, reliées par deux tiges longitudinales 49 filetées vers leurs extrémités et 0 bloquées sur lesdites cornières 48 au moyen d'écrous 50.
De plus, ce maintien est assuré par deux cornières longitudinales 51 entre lesquelles sont disposés les échangeurs 34, 35, reliées au niveau de chacune de leurs extrémités par deux tiges transversales 52 bloquées 5 sur lesdites cornières au moyen d'écrous 53.
Il est à noter que ces deux cornières longitudinales 51 facilitent également la mise en place correcte des différents éléments car elles définissent lors du montage un plan horizontal de support desdits éléments. 0 Le dispositif de rafraîchissement représenté aux figures 11 et 12 est dlune même conception que celui décrit ci-dessus, c'est-à-dire qu'il comporte une pluralité de cellules à effet Peltier 32, 33 ordonnées les unes à la suite des autres avec interposition entre deux 5 cellules soit d'un échangeur chaud 54, soit d'un échangeur froid 55.
La différence entre ces deux variantes réside dans la conception des échangeurs 54, 55. En effet, ces derniers se présentent sous la forme d'un cadre rectangulaire 56, réalisé par moulage, formant une enceinte parallelepipedique rectangle délimitée par deux faces frontales ouvertes dotées d'un épaule ent périphérique 57 de hauteur inférieure à l'épaisseur de l'isolant électrique des cellules à effet Peltier 32, 33, agencé pour définir un logement pour lesdites cellules.
Ce cadre 56 est percé de deux passages de fluide 58, 59 décalés de 90 degrés, ménagés respectivement vers l'extrémité haute d'une des faces latérales, et vers l'extrémité de la face latérale supérieure opposée à la face latérale précitée.
Chaque cadre est, en outre, doté d'une cloison interne médiane 60 de séparation, s'étendant orthogonalement par rapport à la face supérieure dudit cadre et d'une longueur égale sensiblement aux deux-tiers de la hauteur interne de ce dernier. Une telle cloison 60 a, comme la cloison 41 de la première variante, pour fonction de forcer la circulation de fluide entre les deux passages de fluide 58, 59. Il est à noter, en outre, que la conception de cette cloison 60, d'une part, évite d'avoir à prévoir un orifice empêchant l'accumulation de bulles, et d'autre part, facilite les opérations d'usinage.
De tels échangeurs 54, 55 sont donc conçus pour que les cellules a effet Peltier 32, 33 forment les parois frontales desdits échangeurs, l'isolant thermique, généralement en céramique, desdites cellules étant en contact direct avec les fluides caloporteurs.
Comme précédemment, et tel qu'illustré à la figure 12, les échangeurs chaud 54 et froid 55 sont disposés en position inversée de façon que les passages de fluide 58, 59 se trouvent décalés. En outre, ces échangeurs sont raccordés par l'intermédiaire d'embouts tels que 61, 62 à des collecteurs 63, 64. En dernier lieu, l'assemblage des divers éléments est réalisé au moyen d'un joint 65 de colle étanche présentant des propriétés d'isolant thermique, reliant les cadres 56 sur le pourtour des cellules à effet Peltier 32 , 33 .
Il est à noter que le schéma hydraulique représenté à la figure 4 s'applique également aux deux variantes ci-dessus décrites, ce schéma constituant alors un schéma partiel dans lequel seul un échangeur chaud 34 ou 54, et deux échangeurs froids 35 ou 55 sont représentés. En outre, il convient bien sûr de remplacer les deux cellules en série de chaque branche par une seule cellule 32 ou 33.
Le dispositif de rafraîchissement représenté à la figure 13 est également d'une même conception que ceux décrits ci-dessus, c'est-à-dire qu'il comporte une pluralité de cellules à effet Peltier 32, 33 ordonnées les unes à la suite des autres avec interposition entre deux cellules soit d'un échangeur chaud, soit d'un échangeur froid.
La différence par rapport aux dispositifs précédents réside dans la conception du circuit frigorifique qui ne comporte plus de fluide caloporteur, mais est adapté pour que les frigories soient transmises directement à un flux d'air de rafraîchissement d'un véhicule.
Dans ce but, l'ensemble de production de froid constitué des cellules 32, 33, le circuit frigorifique, et les moyens d'échange thermique du circuit calorifique sont disposés dans une gaine 66 isolée thermiquement, destinée à véhiculer l'air de rafraîchissement de l'habitacle du véhicule.
En premier lieu, le circuit calorifique comporte des échangeurs chauds 67 du type de ceux décrits dans l'une ou l'autre des deux variantes précédentes, dont les passages de fluide sont reliés à un collecteur 69 (dont seul un tronçon externe à la gaine 66 est représenté) par des embouts tels que 68.
Le circuit frigorifique comporte, quant à lui, des échangeurs consistant en des plaques planes 70 en un matériau tel que cuivre ou aluminium dont la portion centrale de chacune des faces est en contact avec une cellule à effet Peltier 32, 33. Chacune de ces plaques 70 est, en outre, associée à un échangeur 71 se présentant sous forme d'ailettes en un matériau tel que de l'aluminium, solidarisées auxdites plaques de façon à être en contact thermique avec ces dernières.
Le nombre de cellules à effet Peltier 32, 33 utilisé pour chacune des trois variantes ci-dessus décrites est de dix, ces cellules, tel que représenté à la figure 13, étant branchées électriquement deux à deux en série de façon à former cinq branches en parallèle composées chacune de deux cellules en série.
En outre, ces cellules sont sélectionnées de façon que le coefficient d'efficacité global cumulé CeF de la totalité des cellules soit tel que : CeF x WF x Im Wm x I soit supérieur ou égal à un, avec :
. CeF coefficient d'efficacité global cumulé de la totalité des cellules,
. Im intensité maximale tolérée concernant la consommation de courant électrique,
. WF puissance frigorifique totale fournie par l'ensemble des cellules,
. Wm puissance minimale de froid souhaitée pour compenser les apports de chaleur. La figure 15 est un graphique représentant les différents paramètres de fonctionnement d'un dispositif de rafraîchissement tel que ci-dessus décrit, dans les conditions suivantes :
- différence de température entre les faces chaude et froide des cellules : 10° C,
- tension batterie : 12 Volts,
- cinq branches en parallèle de cellules à effet Peltier dont les abaques de fonctionnement sont celles des figures 3a et 3b. Tel que cela ressort de ce graphique, pour une valeur de Im de 30 ampères, qui constitue une valeur raisonnable pour un véhicule automobile, et en fixant Wm à 550 Watts, on constate que la zone favorable de fonctionnement (zone hachurée) est obtenue en utilisant deux cellules en série dans chaque branche.
La puissance frigorifique WF obtenue est alors de l'ordre de 600 W, avec un rapport — de 1,76.
WΘ

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de production de froid destiné à transmettre des frigories à un milieu à refroidir à partir de l'énergie fournie par une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile, du type comprenant :
- un ensemble de production de froid (3- 10 ; 16, 17 ; 32, 33) comportant au moins une cellule à effet Peltier apte à supporter une tension maximale V max, - des premiers moyens d'échange thermique
(11-13 ; 18-21 ; 34, 46 ; 54, 63 ; 67, 69) d'évacuation des calories produites par chaque cellule à effet Peltier,
- des deuxièmes moyens d'échange (1 ; 15, 25, 26 ; 35, 47 ; 55, 64 ; 70, 71) destinés à transmettre les frigories produites par chaque cellule à effet Peltier au milieu à refroidir, ledit dispositif de production de froid étant caractérisé en ce que chaque cellule à effet Peltier (3, 4, 9, 10 ; 16,
17 ; 32, 33) est : - connectée de façon que la tension U aux bornes de chacune desdites cellules soit comprise entre V max e. 2 V max
3 3
- adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef = ^ x —w-f > 1 avec :
We Wf + We
. Wf puissance frigorifique fournie par la cellule,
. We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule.
2/ - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'ensemble de production de froid (3-
10 ; 16, 17 ; 32, 33) comprend au moins une branche comportant chacune au moins deux cellules à effet Peltier disposées en série du point de vue électrique.
3/ - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de production de froid (3- 10 ; 16, 17 ; 32, 33) comporte au moins deux branches de cellules à effet Peltier montées en parallèle du point de vue électrique.
4/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (16, 17 ; 32, 33) sont adaptées pour que CeF x WF x Im soit supérieur ou égal à un, avec : Wm x I
. CeF coefficient d'efficacité global cumulé de la totalité des cellules, . Im intensité maximale tolérée concernant la consommation de courant électrique,
. WF puissance frigorifique totale fournie par l'ensemble des cellules,
. Wm puissance minimale de froid souhaitée pour compenser les apports de chaleur.
5/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de production de froid (3-10) comporte un accumulateur statique (5) comprenant : - un noyau (6 ; 21, 22) réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, et doté d'une face accolée à la face froide des cellules à effet Peltier,
- et au moins un barreau (7, 8) réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique inférieure à celle du premier matériau, chacun desdits barreaux étant agencé pour être en contact direct avec le noyau (6) sans présenter de contact direct avec les cellules à effet Peltier. 6/ - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le noyau (6) est réalisé en cuivre, et chaque barreau (7) en acier.
7/ - Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel l'ensemble de production de froid (3-10) comporte deux étages de production de froid
(3-4, 9-10) montés en série du point de vue thermique, caractérisé en ce que le noyau (6) de l'accumulateur (5) est disposé de façon à présenter une face accolée à la face froide des cellules à effet Peltier du premier étage de production de froid (9, 10), et une face accolée à la face chaude des cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid (3, 4).
8/ - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cellules à effet . Peltier du premier étage de production de froid (9, 10) sont adaptées pour fournir une puissance frigorifique Wf sensiblement double de celle fournie par les cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid (3, 4). 9/ - Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les deux étages de production de froid (3-4, 9-10) sont alimentés par l'intermédiaire de circuits (R) de commande à transistors aptes à permettre de contrôler les puissances frigorifiques fournies.
10/ - Conteneur apte à être alimenté au moyen d'une source électrique autonome basse tension telle qu'une batterie de véhicule, notamment automobile, et destiné à la congélation d'échantillons biologiques disposés dans des tubes, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un compartiment (1, 2) de stockage des tubes d'échantillons,
- un compartiment de production de froid renfermant un dispositif de production de froid comportant :
. un étage de production de froid, dit deuxième étage (3, 4), comportant au moins une cellule à effet Peltier disposée avec sa face froide en contact avec le compartiment de stockage (1, 2), . un accumulateur statique (5) comprenant, d'une part, un noyau (6) réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, et doté d'une face accolée à la face chaude des cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid (3, 4) et, d'autre part, au moins un barreau (7, 8) réalisé en un matériau présentant une conductibilité thermique inférieure à celle du premier matériau, chacun desdits barreaux étant agencé pour être en contact direct avec le noyau (6) sans présenter de contact direct avec les cellules à effet Peltier du deuxième étage de production de froid (3, 4),
. un étage de production de froid
(9, 10), dit premier étage, comportant au moins une cellule à effet Peltier disposée avec sa face froide en contact avec le noyau (6) de 1'accumulateur (5), chacune des cellules dudit premier étage et du deuxième étage étant :
* connectée de façon que la tension U aux bornes de ladite cellule soit comprise entre V max e- 2 V max^ Q^ v maχ est la tension maximale pouvant 3 3 être supportée par la cellule,
* adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef - — x —— > 1 avec : We Wf + We
. Wf puissance frigorifique fournie par la cellule,
. We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule.
. des moyens (R) de contrôle et de régulation des puissances frigorifiques fournies,
- un compartiment d'évacuation des calories produites par le premier étage de production de froid (9, 10), comportant : un transmetteur thermique (11) doté d'un circuit à fluide caloporteur, agencé pour être disposé en contact avec la face chaude des cellules à effet Peltier du premier étage de production de froid (9, 10), . un radiateur (13) d'échange fluide caloporteur/air,
. et des moyens (14) de ventilation du radiateur (13).
11/ - Dispositif de rafraîchissement de l'habitacle d'un véhicule, notamment automobile, doté d'une batterie, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un ensemble de production de froid (16, 17 , 32, 33) comportant au moins une cellule à effet Peltier apte à supporter une tension maximale V max, chacune desdites cellules étant :
. connectée de façon que la tension U aux bornes de ladite cellule soit comprise entre
V max e- 2 V max 3 3 '
- adaptée pour présenter un coefficient d'efficacité Cef = ^ x — ^ > 1 avec :
We Wf + We . Wf puissance frigorifique fournie par la cellule,
. We puissance consommée par la cellule, telle que We = UI, I représentant le courant traversant ladite cellule, - un circuit (15, 25, 26 ; 35, 47 ; 55,
64 ; 70, 71), dit frigorifique, destiné à la transmission des frigories, comportant des moyens d'échange thermique (15 ; 35 ; 55 ; 70) présentant au moins une surface d'échange avec la face froide de chaque cellule à effet Peltier (16, 17, 32, 33), et un radiateur (26 ; 71) destiné au rafraîchissement de l'habitacle,
- un circuit (18-21 ; 34, 46 ; 54, 63 ; 67, 69), dit calorifique, à fluide caloporteur destiné à l'évacuation des calories, comportant des moyens d'échange thermique (18, 19 ; 34 ; 54 ; 67) présentant au moins une surface d'échange avec la face chaude de chaque cellule à effet Peltier (16, 17, 32, 33), et un radiateur (21) d'échange fluide caloporteur/air de refroidissement.
12/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le circuit frigorifique est un circuit (15, 25, 26 ; 35, 47 ; 55, 64) à fluide caloporteur dont le radiateur est un radiateur (26) d'échange fluide caloporteur/air.
13/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens d'échange thermique consistent en des échangeurs (15 ; 35 ; 55) constitués d'une enceinte de forme générale parallelepipedique rectangle comportant deux faces frontales (23, 24 ; 39, 40), ladite enceinte comportant deux passages de fluide latéraux (22 ; 37, 38 ; 58, 59), et une cloison interne (41 ; 60) agencée pour forcer la circulation de fluide.
14/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 11 , caractérisé en ce que :
- les moyens d'échange du circuit frigorifique comportent au moins un échangeur constitué d'une plaque (70) en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, de dimensions supérieures à l'encombrement, vu en plan, des cellules à effet Peltier (32, 33), ladite plaque comportant au moins une face frontale présentant au moins une portion de surface plane équivalant à l'encombrement des cellules à effet Peltier,
- lé radiateur est constitué d'éléments (71) réalisés en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, disposés de façon à être en contact thermique avec la plaque (70), et adaptés pour former une surface d'échange apte à permettre la transmission des frigories à un flux d'air de rafraîchissement de l'habitacle,
- chaque cellule à effet Peltier (32, 33) est disposée avec sa face froide en contact avec une portion de surface plane de la plaque (70).
15/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'ensemble de production de froid (32, 33), le circuit frigorifique (70, 71) et les moyens d'échange thermique (67) du circuit calorifique sont disposés dans une gaine (66) isolée thermiquement, destinée à véhiculer l'air de rafraîchissement de l'habitacle.
16/ - Dispositif de rafraîchissement selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que :
- les moyens d'échange du circuit frigorifique sont constitués d'un échangeur (15) comportant deux parois frontales (23, 24) présentant au moins une portion plane (23), réalisées en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée,
- l'ensemble de production de froid comporte deux sous-ensembles (16, 17) comportant chacun au moins deux cellules à effet Peltier montées en série, lesdits sous-ensembles étant disposés de part et d'autre de
1'échangeur (15) du circuit frigorifique de façon que la face froide de chaque cellule les composant soit disposée en contact avec une portion plane d'une paroi frontale (23,
24) dudit échangeur,
- le circuit calorifique comporte deux échangeurs (18, 19) comportant chacun une paroi frontale présentant au moins une portion plane en contact avec chaque cellule d'un des sous-ensembles (16, 17) de production de froid.
17/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 16, caractérisé en ce que chaque sous- ensemble (16, 17) de production de froid comporte deux branches montées en parallèle dotées chacune de deux cellules à effet Peltier montées en série.
18/ - Dispositif de rafraîchissement selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que : . l'ensemble de production de froid comprend une pluralité de cellules à effet Peltier (32, 33) ordonnées de façon à s'étendre parallèlement les unes à la suite des autres,
. le circuit frigorifique et le circuit calorifique comportent chacun des échangeurs (34, 35 ; 54,
55 ; 67, 70) interposés alternativement entre les cellules
(32, 33) de façon qu'une des faces de chaque cellule se trouve en regard d'un échangeur (35 ; 55 ; 70) du circuit frigorifique et que l'autre face de ladite cellule se trouve en regard d'un échangeur (34 ; 54 ; 67) du circuit calorifique.
19/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 18, caractérisé en ce que les cellules à effet Peltier (32, 33) sont reliées électriquement deux à deux en série de façon à former n branches montées en parallèle dotées chacune de deux cellules montées en série.
20/ - Dispositif de rafraîchissement selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que chaque échangeur (34, 35 ; 54, 55 ; 67, 70) comporte deux faces frontales présentant au moins une portion plane, réalisées en un matériau présentant une conductibilité thermique élevée, les cellules (32, 33) étant disposées avec chacune de leurs faces en contact avec une portion plane desdites faces frontales des échangeurs.
21/ - Dispositif de rafraîchissement selon 1'une des revendications 18 ou 19 et la revendication 12 prises ensemble, caractérisé en ce que chaque échangeur (54, 55) comporte deux faces frontales présentant au moins une portion plane dotée d'une ouverture de forme conjuguée de celle des cellules (32, 33), agencée pour permettre de positionner chacune desdites cellules de façon que ses faces se trouvent en contact direct avec le fluide caloporteur correspondant.
22/ - Dispositif de rafraîchissement selon la revendication 21 , caractérisé en ce que les ouvertures ménagées dans les faces frontales des échangeurs (54, 55) présentent un épaulement périphérique (57) de hauteur inférieure à l'épaisseur de l'isolant électrique des cellules (32, 33), agencé pour définir un logement pour lesdites cellules.
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