WO2015007960A1 - Générateur thermoélectrique - Google Patents
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Abstract
Le dispositif thermoélectrique (1) comporte un premier conduit (10) logé dans un deuxième conduit (12) de manière étanche. Les premier (10) et deuxième (12) conduits s'étendent le long d'un axe longitudinal (11). En outre, le dispositif (1) dispositif comporte un thermocouple (20) s'étendant le long d'un axe transversal (13). Le thermocouple (20) est interposé entre les premier (10) et deuxième (12) conduits qui sont conformés de manière que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression (σc), selon l'axe transversale (13).
Description
Générateur thermoélectrique
Domaine technique de l'invention
L'invention est relative à un dispositif thermoélectrique destiné à générer un courant électrique, notamment en exploitant des gaz d'échappement évacués par un moteur à combustion.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif thermoélectrique.
État de la technique
Une architecture classique d'un générateur thermoélectrique utilise des modules thermoélectriques soumis à un gradient de température entre deux de leurs faces opposées. De tels modules thermoélectriques comportent généralement des thermocouples reliés électriquement en série et thermiquement en parallèle. Chaque thermocouple est formé par deux plots reliés l'un à l'autre à l'une de leur extrémité par un élément de connexion électrique. Les plots formant un thermocouple sont à base de matériaux thermoélectriques différents destinés à générer un courant électrique lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température. Les thermocouples sont reliés électriquement en série par des éléments de connexion électrique qui sont généralement des éléments métalliques. Par ailleurs, le gradient de température est crée en disposant deux sources de chaleur au niveau des faces opposées des modules thermoélectriques, une première source dite froide et une deuxième source dite chaude.
Chacune des deux sources peut comporter un conduit dans lequel circule un fluide, le fluide associé à la source froide ayant une température inférieure à celle du fluide associé à la source chaude. De tels dispositifs peuvent être utilisés de manière astucieuse dans des échangeurs de chaleur pour produire de l'électricité. Notamment, ce type de dispositif peut être associé à un moteur à combustion, en convertissant la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Cependant, ces générateurs thermoélectriques peuvent souffrir de l'apparition de résistances thermiques entre les modules thermoélectriques et les sources de chaleurs. En effet, selon certaines conditions de fonctionnement, les modules thermoélectriques peuvent être soumis, de manière cyclique, à d'importants gradients thermiques, notamment lorsque la source chaude est générée par une chaleur provenant des gaz d'échappement.
La différence entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux des modules thermoélectriques et des matériaux formant les sources de chaleurs, est à l'origine de fortes contraintes et déformations mécaniques, générées par les nombreux cycles thermiques lors du fonctionnement du générateur thermoélectrique. Ces déformations thermomécaniques peuvent altérer la qualité des contacts thermiques entre les sources de chaleur et les modules thermoélectriques, ce qui peut avoir des conséquences néfastes sur les performances thermiques, électriques du générateur thermoélectrique, mais aussi sur sa fiabilité thermomécanique et sa longévité.
L'objet de l'invention
Dans le domaine de la génération de l'énergie électrique, il existe un besoin pour réaliser un générateur thermoélectrique tirant profit de son environnement thermique tout en étant fiable, efficace, et facile à fabriquer.
On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un générateur thermoélectrique comportant :
- une calandre s'étendant le long d'un axe longitudinal et munie de deux plaques comportant chacune un orifice traversant, et disposées respectivement à deux extrémités de la calandre opposées selon l'axe longitudinal ;
- deux plaques additionnelles comportant chacune un orifice de circulation, et disposées de manière que la calandre soit interposée entre les deux plaques additionnelles ;
- un premier conduit disposé dans un deuxième conduit, les premier et deuxième conduits étant disposés dans la calandre et s'étendant le long d'un axe longitudinal et comportant chacun deux extrémités opposées selon l'axe longitudinal ;
- un thermocouple interposé entre les premier et deuxième conduits.
Le premier conduit dudit générateur est assemblé de manière étanche sur les deux plaques additionnelles de sorte que chacune des extrémités du premier conduit communique avec l'orifice de circulation formé dans l'une des plaques additionnelles. De plus, le deuxième conduit est assemblé sur les deux plaques de sorte que chacune des extrémités du deuxième conduit communique avec l'orifice de l'une des plaques et que l'ensemble deuxième conduit et calandre soit étanche.
Selon un premier mode de réalisation, l'une des deux plaques de la calandre est solidarisée de manière étanche avec une des deux plaques additionnelles de manière à délimiter un espace inter-plaque communiquant avec un espace interne étanche, délimité par le deuxième conduit via au
moins l'orifice formé dans la plaque de la calandre. Selon ce mode de réalisation, le dispositif comporte également une canalisation de sortie formée dans une des plaques solidarisées, et communiquant avec l'espace inter-plaques.
Préférentiellement, le dispositif comporte des moyens de mise sous vide de l'espace inter-plaques et l'espace interne via la canalisation de sortie. De manière avantageuse, l'espace inter-plaques et l'espace interne comporte un gaz inerte.
Selon un autre mode de réalisation, le thermocouple s'étend le long d'un axe transversal, et les premier et deuxième conduits sont conformés de manière que le thermocouple subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale, entre lesdits premier et deuxième conduits.
Avantageusement, la distance d séparant les premier et deuxième conduits au niveau de la section transversale du thermocouple, est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple, la distance d1 et la dimension d2 étant mesurées à une même température.
Selon un mode de réalisation, le générateur thermoélectrique comporte des moyens de circulation d'un premier fluide à une première température dans le premier conduit, et d'un deuxième fluide recouvrant le deuxième conduit, le deuxième fluide étant à une deuxième température inférieure à la première température.
De manière avantageuse, les moyens de circulation de fluides sont configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le premier conduit et/ou dans le deuxième conduit.
On prévoit également un procédé de réalisation de ce type de générateur thermoélectrique comportant les étapes suivantes :
- prévoir les premier et deuxième conduits, le premier conduit étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit et s'étendre selon l'axe longitudinal du deuxième conduit ;
- prévoir le thermocouple s'étendant le long de l'axe transversal ;
- assembler les premier et deuxième conduits de sorte que la température du premier conduit et/ou du thermocouple est inférieure à la température du deuxième conduit lors de l'assemblage des premier et deuxième conduits et du thermocouple pour former le dispositif thermoélectrique de manière que le thermocouple subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale, entre les premier et deuxième conduits.
Selon un mode particulier de mise en œuvre, le procédé de réalisation de ce type de générateur thermoélectrique comporte les étapes suivantes :
- prévoir des premier et deuxième demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal et configurés pour former le deuxième conduit en assemblant les premier et deuxième demi-conduits ;
- disposer les premier et deuxième demi-conduits en regard de manière que le premier conduit soit logé entre les deux demi-conduits, et que le thermocouple soit interposé entre le premier demi-conduit et le premier conduit ;
- presser les premier et deuxième demi-conduits l'un vers l'autre de manière à imposer au thermocouple une contrainte de compression, selon l'axe transversal, entre le premier demi-conduit et le premier conduit ;
- solidariser les premier et deuxième demi-conduits pour former le deuxième conduit, le thermocouple étant maintenu en compression, selon l'axe transversal, entre les premier et deuxième conduits.
De manière avantageuse, les premier et deuxième conduits comportent respectivement des première et deuxième surfaces sensiblement planes et parallèles, disposées en regard de manière que le thermocouple soit interposé entre lesdites première et deuxième surfaces.
Préférentiellement, une lamelle d'interface à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple et le premier conduit, et/ou entre le thermocouple et le deuxième conduit. On prévoit en outre un procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif réalisé comportant les étapes suivantes :
- faire circuler un premier fluide ayant une première température, dans le premier conduit ;
- faire circuler un deuxième fluide ayant une deuxième température inférieure à la première température, autour du deuxième conduit.
Selon un mode préférentiel de génération d'un courant électrique, le dispositif est configuré de sorte que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent soit dans le premier conduit, soit autour du deuxième conduit.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 , 3 et 4 illustrent schématiquement, en coupe transversale, un dispositif thermoélectrique selon différents modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 illustre schématiquement, en coupe longitudinale, le dispositif de la figure 1 ;
- les figures 5 à 7 illustrent schématiquement, en coupe transversale, différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 8 illustre schématiquement, une vue éclatée d'un dispositif thermoélectrique comportant une calandre selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 9 illustre schématiquement, en coupe longitudinale, un dispositif thermoélectrique comportant une calandre selon un mode de réalisation de l'invention.
Description de modes préférentiels de réalisation
Pour permettre à un générateur thermoélectrique un fonctionnement amélioré, il est préférable d'apporter un soin particulier aux connexions thermiques et électriques disposées au sein du générateur. Il est donc avantageux de soigner la qualité des contacts entre les sources de chaleurs et le module thermoélectrique du générateur. Afin de réaliser de tel générateur thermoélectrique, on envisage un agencement et un assemblage avantageux de certains éléments formant le générateur thermoélectrique.
Selon un mode de réalisation illustré à la figure 1 , un dispositif thermoélectrique 1 comporte des premier 10 et deuxième 12 conduits s'étendant le long d'un axe longitudinal 11. Le premier conduit 10 est disposé dans le deuxième conduit 12. Autrement dit, les premier et deuxième conduits 10 et 12 sont disposés de sorte qu'ils s'étendent le long de l'axe longitudinal 11 , par exemple de manière parallèle et avantageusement de manière coaxiale.
En outre, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un thermocouple 20 s'étendant préférentiellement le long d'un axe transversal 13, perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 11. Le thermocouple 20 est interposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. De manière préférentielle, les conduits 10 et 12 sont conformés de manière que le thermocouple 20 subisse une contrainte de compression oc, selon l'axe
transversale 13. La contrainte de compression oc est une contrainte de bridage qui est appliquée de manière permanente au thermocouple 20, entre les premier 10 et deuxième 12 conduits, et elle est préférentiellement comprise entre 0,2 et 10 MPa, avantageusement entre 0,5 et 4 MPa.
De manière préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également un thermocouple additionnel 21 disposé également entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Le thermocouple 20 et le thermocouple additionnel 21 sont, par exemple, disposés de part et d'autre selon l'axe transversal 13, du premier conduit 10. Selon cette configuration préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un empilement, selon l'axe transversal 13, comprenant le thermocouple 20 disposé sur le premier conduit 10, lui même disposé sur le thermocouple additionnel 21 . Cet empilement est disposé à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que les thermocouples 20 et 21 soient interposés entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Autrement dit, le premier conduit 10 est maintenu à distance du deuxième conduit 12 au moyen des thermocouples 20 et 21.
Par la suite, on définit un thermocouple comme étant un élément comportant deux plots reliés électriquement entre eux, de préférence à l'une de leurs extrémités, par un élément de connexion électriquement conducteur, et, de préférence, thermiquement conducteur. Les plots d'un même thermocouple sont formés dans deux matériaux de natures thermoélectriques différentes. Par matériaux de natures thermoélectriques différentes, on entend des matériaux de compositions chimiques différentes, aptes à transformer lorsqu'ils sont électriquement connectés, une énergie thermique en une énergie électrique et/ou vice versa. Par exemple, il est possible d'utiliser un même matériau semi-conducteur ayant des types de dopage différents. Comme illustré à la figure 2, le dispositif thermoélectrique 1 comporte, de manière avantageuse, plusieurs thermocouples reliés électriquement entre eux en série par des éléments de connexion 203, pour former un premier
module thermoélectrique 25 interposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Le module 25 comporte préférentiellement, des thermocouples identiques 20, subissant également des contraintes de compression ac entre les premier 10 et deuxième 12 conduits.
Des connecteurs électriques 204 et 205 de terminaison sont situés aux extrémités de la série de thermocouples 20 du module 25 pour assurer les connexions électriques du module thermoélectrique 25. Les connecteurs 204 et 205 peuvent être utilisés notamment pour récupérer le courant électrique généré par le module 25, ou encore pour relier le module 25 avec d'autres modules thermoélectriques.
Préférentiellement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également un module thermoélectrique additionnel 26, comportant le thermocouple additionnel 21 , disposé également entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Dans une configuration préférentielle, le dispositif thermoélectrique 1 comporte un empilement, selon l'axe transversal 3, comprenant le module thermoélectrique 25 disposé sur le premier conduit 10, lui même disposé sur le module additionnel 26. Cet empilement est disposé à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que les modules 25 et 26 soient interposés entre les premier 10 et deuxième 12 conduits.
De la même manière que pour le module 25, le module 26 comporte préférentiellement une pluralité de thermocouples 21 reliés entre eux en série par des éléments de connexion 213, et des connecteurs électriques de terminaison 214 et 215. Le nombre de thermocouples formant les modules 25 et 26 peut être évalué en fonction du compromis optimal entre la géométrie des thermocouples, leurs répartitions et la puissance électrique produite à partir de la puissance thermique les traversant.
Le dispositif thermoélectrique 1 est configuré pour générer une puissance électrique à partir d'un transfert thermique entre le thermocouple 20 et deux sources de chaleur générant un gradient thermique. Le thermocouple 20 (21) comporte deux plots 201 (211) à base de matériaux thermoélectriques différents reliés entre eux par un élément électriquement conducteur 202 (212). Les deux plots 201 (211) peuvent être à base d'un matériau semi-conducteur, tel que le silicium ou l'alliage silicium-germanium, dopé respectivement P et N. Les plots 201 (211) peuvent également être à base de semi-métaux (Bi, Sb, etc.). En fait, l'homme du métier est capable de choisir le type de matériau des plots du thermocouple 20 (21) en fonction de l'environnement d'utilisation du dispositif thermoélectrique.
Les plots 201 (211) peuvent avoir une forme géométrique quelconque, par exemple une forme parallélépipédique ou bien cylindrique. Chaque plot 201 (211) s'étend le long de l'axe transversal 13 de manière qu'il soit disposé entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. De plus, chaque plot 201 (211) dispose de première et deuxième extrémités opposées selon l'axe transversal 13. La première extrémité est disposée entre le premier conduit 10 et la deuxième extrémité, qui est elle même disposée entre le deuxième conduit 12 et la première extrémité. Chaque plot 201 (211) du thermocouple 20 (21) comporte à sa première extrémité des éléments de connexion 203 (2 3), ou des connecteurs électriques de terminaison 204 (214) et 205 (215) formant une première extrémité du thermocouple 20 (21).
En outre, les plots 201 (211) du thermocouple 20 (21) sont reliés entre eux, de préférence, à la deuxième extrémité par l'élément électriquement conducteur 202 (212) formé généralement par un élément métallique. L'élément 202 (212) forme alors, la deuxième extrémité du thermocouple 20 (21), opposée à la première extrémité, selon l'axe transversal 13.
Les sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1 sont munies de premier 10 et deuxième 12 conduits, et sont configurées pour créer un gradient thermique entre les extrémités opposées du thermocouple 20. Le premier conduit 10, est avantageusement un conduit étanche, configuré pour permettre la circulation d'un premier fluide.
Le premier conduit 10 comporte préférentiellement des ailettes internes pour améliorer l'échange thermique entre le premier fluide et les parois internes du premier conduit 10. Le deuxième conduit 12 est, avantageusement un conduit étanche, configuré pour être noyé dans un deuxième fluide, de manière que le premier conduit 10 soit dépourvu de tout contact avec le deuxième fluide, ou à limiter le contact entre les deux fluides. Les premier 10 et deuxième 12 conduits sont, notamment, en acier inoxydable, et ils peuvent être formés par tout moyen connu, par exemple par profilage, soudage et/ou brasage.
Afin de faciliter le transfert thermique entre les sources de chaleur et le thermocouple 20, les première et deuxième extrémités du thermocouple 20 sont préférentiellement en contact direct, respectivement avec les premier 10 et deuxième 12 conduits. Par ailleurs, pour permettre au dispositif thermoélectrique 1 de générer une énergie électrique, les contacts entre les conduits 10 et 12, et le thermocouple 20 doivent éviter la création de court- circuit au sein du thermocouple 20 ou du module thermoélectrique 25 tout en facilitant les transferts thermiques. Ainsi, les parties des conduits 10 et 12 et/ou du thermocouple 20 qui constituent ces contacts sont à base d'un matériau électriquement isolant et thermiquement conducteur.
De manière préférentielle, les contacts entre le thermocouple 20 et les sources de chaleur, comportent une couche à base d'un matériau électriquement isolant. Cette couche peut être à base d'oxyde de silicium, ou à base d'un matériau de type céramique. A titre d'exemple à base d'alumines
(AI2O3) ayant subi, une anodisation dure, Ceramaze®, Keronite®, ou encore
à base d'alumines avec ou sans dioxyde de titane. La couche peut être également à base d'un matériau de type vitrocéramique tel que l'oxyde de chrome. Par ailleurs, les parties en contact peuvent subir, selon la compatibilité des matériaux utilisés, une étape d'anodisation, ou comporter un revêtement DLC (DLC pour l'abréviation anglaise de « Diamond-Like Carbon »).
Avantageusement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte une lamelle d'interface 16, communément appelé substrat, interposée entre le deuxième conduit 12 et l'élément électriquement conducteur 202, i.e. la deuxième extrémité du thermocouple 20. La lamelle 16 peut être à base d'AIN, et elle est en contact direct avec le thermocouple 20, et/ou le deuxième conduit 12.
Préférentiellement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte également le même type de lamelle d'interface 16 interposée entre le premier conduit 10 et la première extrémité du thermocouple 20. Ce type de lamelle d'interface 16, permet avantageusement, la protection du thermocouple 20 contre l'apparition d'un court-circuit. En outre, la lamelle d'interface 16 peut également remplir une fonction de tampon mécanique pour homogénéiser les contraintes de bridage appliquées au thermocouple 20 par les conduits 10 et 12 lors de l'assemblage, et éventuellement lors du fonctionnement du dispositif thermoélectrique 1. En outre, ce type de lamelle d'interface 16 permet, de manière avantageuse, une homogénéisation thermique entre les extrémités du thermocouple 20 et les premier 10 et deuxième 12 conduits.
Le dispositif thermoélectrique 1 décrit ci-dessus permet de disposer le thermocouple 20 entre deux parois d'échange thermique formées par les conduits 10 et 12. Le thermocouple 20 subit une contrainte de compression Oc appliquée par les premier 10 et deuxième 12 conduits, permettant de manière avantageuse d'assurer une contrainte de bridage permanente, selon l'axe transversal 13.
Cette contrainte de bridage permet d'éviter ou au moins de minimiser l'effet des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12, et/ou du thermocouple 20 sur l'altération des zones de contact entre ces éléments. La contrainte de compression ac permet ainsi de conserver des contacts de bonne qualité entre les sources de chaleur, et le thermocouple 20, ce qui évite la création de résistances thermiques, dans les zones du transfert thermique. Les résistances thermiques sont alors minimisées et le transfert thermique amélioré. De ce fait, la contrainte de compression oc permet, avantageusement, d'améliorer la conversion de l'énergie thermique traversant le thermocouple en une énergie électrique.
En outre, la contrainte de compression σ0 permet avantageusement de limiter les contraintes de cisaillement qui nuisent aux plots thermoélectriques 201 du thermocouple 20.
Comme illustré à la figure 3, la distance d1 séparant les premier 10 et deuxième 12 conduits au niveau de la section transversale du thermocouple 20, est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple 20. La distance d1 et la dimension d2 sont mesurées à une même température Tmes. En fait, les premier 10 et deuxième conduit 12 définissent un espace E20 configuré pour abriter le thermocouple 20, et la distance d1 correspond à la dimension transversale de cet espace E20. Selon des conditions thermiques et mécaniques identiques, la dimension transversale d2 du thermocouple 20 est plus grande que la dimension transversale d1 de l'espace E20.
La réalisation du dispositif thermoélectrique 1 peut être effectuée selon plusieurs modes, notamment, en exploitant la différence des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12, et du thermocouple 20. Ainsi, et à titre d'exemple, les températures du thermocouple 20, et des conduits 10 et 12 peuvent être ajustées lors de la réalisation du dispositif 1 , de manière que le thermocouple 20 puisse être disposé dans l'espace E20. Lors du retour à
un équilibre thermique, autrement dit, les conduits 10 et 12, et le thermocouple 20 sont par exemple à une même température, le thermocouple 20 subit alors une contrainte de compression, selon l'axe transversale 13, appliquée entre les premier 10 et deuxième 2 conduits. Les matériaux des conduits 10 et 12 sont choisis de sorte qu'ils soient suffisamment rigides pour faire subir au thermocouple 20 ladite contrainte de compression à l'équilibre thermique.
Dans l'exemple particulier de réalisation qui va suivre, le dispositif thermoélectrique 1 comporte des moyens (non représentés aux figures) de circulation de fluides au sein du dispositif 1. Ces moyens sont configurés pour faire circuler un premier fluide à une première température T1 dans le premier conduit 10. Les moyens de circulation sont également configurés pour faire circuler un deuxième fluide recouvrant le deuxième conduit 12, le deuxième fluide étant à une deuxième température T2 préférentiellement inférieure à la première température T1. Par ailleurs, les moyens de circulation de fluides peuvent être configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le conduit 10 et/ou le conduit 12, permettant ainsi d'augmenter la contrainte de compression oc appliquée au thermocouple 20.
Avantageusement, la première température T1 est choisie de manière que le premier conduit se dilate, et/ou la deuxième température T2 est choisie de manière que le deuxième conduit 12 se contracte. Les déformations thermomécaniques des conduits 0 et 12 produites par le choix des première T1 et deuxième T2 températures, réduisent davantage la dimension transversale de l'espace E20, accentuant ainsi la contrainte de compression oc subie par le thermocouple 20. De ce fait, un contact thermique de qualité entre le thermocouple 20 et les conduits 10 et 12, peut être garanti. Les moyens de circulation des premier et deuxième fluides peuvent comporter, par exemple, une pompe configurée pour faire circuler un liquide de refroidissement dans une calandre comprenant le deuxième conduit 12.
En outre, les moyens de circulation peuvent comporter un jeu de conduits configuré pour acheminer et faire circuler des gaz d'échappement, évacués par un moteur à combustion, dans le premier conduit 10. Les températures des gaz d'échappement, et du liquide de refroidissement sont différentes et peuvent générer un important gradient thermique aux extrémités du thermocouple 20, selon l'axe transversal 13.
D'un point de vue fiabilité électrique, les connexions métalliques des générateurs thermoélectriques classiques peuvent souffrir d'un problème d'oxydation, surtout lorsqu'elles sont soumises à des températures élevées, ce qui est souvent le cas pour ce type de dispositif thermoélectrique. Par ailleurs, cette oxydation est accentuée lorsque ces connexions métalliques sont disposées dans une atmosphère comportant des résidus corrosifs telle qu'une atmosphère comportant des gaz d'échappement d'un moteur à combustion.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les premier 10 et deuxième 12 conduits délimitent un espace interne E12 étanche. Avantageusement, le dispositif thermoélectrique 1 comporte des moyens de mise sous vide de l'espace interne E12. Par ailleurs, le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter, de manière avantageuse, des moyens pour chambrer l'espace interne E12, avec un gaz inerte tel que l'argon, l'hélium ou l'azote.
La mise sous vide ou sous un gaz inerte de l'espace interne E12, permet avantageusement de protéger contre l'oxydation, les éléments formant le thermocouple 20, notamment, l'élément électriquement conducteur 202, les éléments de connexion 203 ou les connecteurs de terminaison 204 et 205, qui sont généralement à base de matériaux métalliques facilement oxydables. Par ailleurs, lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est configuré pour fonctionner dans un environnement comportant des gaz d'échappement, un environnement corrosif, le risque d'oxydation des éléments du dispositif thermoélectrique 1 est plus élevé.
Ce mode de réalisation préférentiel, permet également de protéger les parois externes du premier conduit 10, et les parois internes du deuxième conduit 12 contre l'oxydation, améliorant ainsi la fiabilité du dispositif 1 d'un point de vue thermique et électrique.
Le procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique tel que défini ci- dessus comporte les étapes suivantes:
- prévoir les premier 10 et deuxième 12 conduits, le premier conduit 10 étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit 12 et s'étendre le long de l'axe longitudinal 11 du deuxième conduit 12 ;
- prévoir le thermocouple 20 s'étendant le long de l'axe transversal 13.
En outre, le procédé de fabrication comporte une étape où, les premier et deuxième conduits 10 et 12 sont assemblés de manière que le thermocouple 20 subisse une contrainte de compression oc, selon l'axe transversale 13, entre les premier 10 et deuxième 12 conduits. Lors de l'assemblage, le thermocouple 20 est interposé entre les conduits 10 et 12 et il est soumis à la contrainte de compression ac appliquée par les conduits 10 et 12.
Préférentiellement, la contrainte de compression ac est une contrainte de bridage permanente, selon l'axe transversal 13. Par contrainte de bridage, on entend une contrainte permettant de figer et d'immobiliser le thermocouple 20 par rapport aux conduits 10 et 12, notamment selon l'axe transversal 13. Ainsi, les contraintes de cisaillement au sein du thermocouple 20, sont limitées. Atténuer l'effet de ce type de contraintes, permet avantageusement de limiter la détérioration et le risque de casse des plots thermoélectriques du thermocouple 20. L'application d'une contrainte de compression oc lors de l'assemblage des éléments du dispositif thermoélectrique 1 , peut être réalisée par tout moyen connu dans le domaine de l'assemblage des pièces mécaniques. À titre
d'exemple, le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter des moyens de serrage configurés pour réduire la dimension, selon l'axe transversal 13, du deuxième conduit 12. Le dispositif thermoélectrique 1 peut comporter, ainsi, des éléments de serrage tels qu'une bague de serrage (non représentée aux figures) du deuxième conduit 12. Lors de l'assemblage, la bague de serrage peut être montée de manière à envelopper le deuxième conduit 12, dont une partie de la paroi se trouve ainsi interposée entre une paroi de la bague de serrage et le thermocouplè 20. Ensuite, la bague est serrée de manière à appliquer la contrainte de compression oc au thermocouple 20 entre les premier 10 et deuxième conduit 12.
En fait, les moyens de serrage permettent de presser les parois opposées, selon l'axe transversal 13, du deuxième conduit 12 l'une vers l'autre. Par ailleurs, le premier conduit 10 et le thermocouple 20 sont disposés à l'intérieur du deuxième conduit 12, de manière que le thermocouple 20 soit interposé, selon l'axe transversal 13, entre le premier conduit 10 et le deuxième conduit 12. Les conduits 10 et 12 et le thermocouple 20 sont disposés pour que les moyens de serrage permettent de presser le premier conduit 10 vers le deuxième conduit 12 de manière que le thermocouple 20 subisse la contrainte de compression oc.
Dans le dispositif thermoélectrique 1 , les conduits 10 et 12 sont configurés pour former les sources de chaleur associées au thermocouple 20. Pour obtenir un comportement thermique efficace, les sources de chaleur sont, préférentiellement, thermiquement isolées l'une de l'autre, ou bien éloignées le plus possible l'une de l'autre. Comme illustré à la figure 4, le premier conduit 10 dispose d'une première paroi séparée du deuxième conduit 12 par le thermocouple 20, et d'une
deuxième paroi opposée à la première paroi, selon l'axe transversal 13. Pour des considérations thermiques et mécaniques, une cale 40 préférentiellement à base d'un matériau non compressible et thermiquement isolant, est interposée entre la deuxième paroi du premier conduit 10 et le deuxième conduit 12.
Avantageusement, le procédé de réalisation prévoit un thermocouple additionnel 21 , de préférence, symétrique au thermocouple 20 par rapport au premier conduit 10. Le thermocouple additionnel 21 , est disposé entre la deuxième paroi du premier conduit 10, et le deuxième conduit 12. Les moyens de serrage, permettent ainsi d'appliquer une contrainte de compression à la fois au thermocouple 20, et au thermocouple additionnel 21. En outre, cette disposition avantageuse, permet à la fois de séparer les sources de chaleur (les conduits 10 et 12) l'une de l'autre, et de fournir une deuxième source de génération électrique (le thermocouple additionnel 21) pour une meilleure exploitation du gradient thermique fournit par les sources de chaleur.
Selon un mode particulier de réalisation, une lamelle d'interface 16 à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple 20 et le premier conduit 10, et/ou entre le thermocouple 20 et le deuxième conduit 12. La lamelle d'interface 16 peut être à base d'AIN, et elle est disposée de manière à être en contact direct avec le thermocouple 20, et/ou les conduits 10 et 12. La lamelle 16 permet, de manière avantageuse, d'éviter l'apparition d'un court-circuit au sein du thermocouple 20 et d'homogénéiser les contraintes de compression appliquées au thermocouple 20 par les premier 10 et deuxième 20 conduits.
Selon un mode particulier de mise en œuvre, le procédé de réalisation comporte une étape d'assemblage dans laquelle la température d'assemblage Ta1 du premier conduit 10 et/ou du thermocouple 20 est inférieure à la température d'assemblage Ta2 du deuxième conduit 12. Lors
de cette étape d'assemblage, le thermocouple 20 est disposé de manière à être en contact avec les deux sources de chaleur. Par contact avec une source de chaleur, on entend que le thermocouple 20 est en contact direct, soit avec le conduit associé à ladite source de chaleur (10 ou 12), soit avec la lamelle d'interface 16 qui est elle même en contact direct avec ledit conduit (10 ou 12).
Préférentiellement, la température d'assemblage Ta1 du premier conduit 10 et/ou du thermocouple 20, est choisie de manière à être inférieure, et avantageusement largement inférieure, à la température de la source de chaleur comportant le premier conduit 10 lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est opérationnel et génère une énergie électrique. De la même manière, la température d'assemblage Ta2 du deuxième conduit 12 est choisie de manière à être supérieure, et avantageusement largement supérieure, à la température de la source de chaleur comportant le deuxième conduit 12 lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est opérationnel et génère une énergie électrique.
L'étape d'assemblage décrite ci-dessus, génère avantageusement des déformations thermomécaniques des conduits 10 et 12 qui permettent une augmentation ou une application de la contrainte de compression oc subie par le thermocouple 20. En effet, après l'étape d'assemblage, et lorsque le dispositif thermoélectrique 1 est soumis au gradient de température créé par les sources de chaleur, le premier conduit 10 se dilate, alors que le deuxième conduit 12 se contracte, comprimant davantage le thermocouple 20 interposé entre les deux conduits 10 et 12.
Selon un mode de mise en œuvre préférentiel illustré aux figures 5 à 7, le procédé de fabrication du dispositif thermoélectrique 1 utilise l'assemblage de deux demi-conduits pour former le deuxième conduit 12. En fait, on prévoit des premier 14 et deuxième 5 demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal 11. Les deux demi-conduits 14 et 15 sont configurés pour
former, de manière étanche, le deuxième conduit 12 lorsqu'ils sont assemblés. Les deux demi-conduits 14 et 15 peuvent, par exemple, avoir des formes concaves complémentaires configurées de manière à composer la forme du deuxième conduit 12.
Les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits sont ensuite disposés en regard, en disposant le premier conduit 10 et le thermocouple 20 entre les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits. En outre, la mise en regard des demi-conduits 14 et 15 est réalisée de sorte que le thermocouple 20 soit interposé entre le premier demi-conduit 14 et le premier conduit 10.
Ensuite, les premier 14, et deuxième 15 demi-conduits sont pressés l'un vers l'autre en appliquant une pression P aux deux demi-conduits 14 et 15. Cette étape permet de transférer la pression P exercée entre les premier 14 et deuxième 15 demi-conduits au thermocouple 20. Ainsi, cette étape est réalisée pour imposer au thermocouple 20 une contrainte de compression, selon l'axe transversale 13, entre le premier demi-conduit 14 et le premier conduit 10. Afin de conserver la contrainte de compression imposée au thermocouple 20, les premier et deuxième demi-conduits 14 et 15 sont, par la suite, solidarisés pour former le deuxième conduit 12. Le premier conduit 10 délimite un espace interne E-m, et le conduit assemblé 12 délimite un espace interne E12 totalement indépendant et étanche par rapport à l'espace interne E-io du premier conduit 10.
La solidarisation des deux demi-conduits 14 et 15 est réalisée de manière étanche notamment par des soudures longitudinales à clin Sc, ou tout autre moyen connu. Par soudure longitudinale à clin on entend, un joint longitudinal à recouvrement permettant de réunir les deux demi-conduits 14 et 5 tout en assurant la continuité de la matière, et de ce fait l'étanchéité du deuxième conduit 12 formé. Cette solidarisation est réalisée de sorte que le
thermocouple 20 soit maintenu en compression, selon l'axe transversale 13, entre le premier conduit 10 et le premier demi-conduit 14, i.e. le deuxième conduit 12. Selon un mode préférentiel de mise en œuvre, les premier et deuxième conduits 10, 12 comportent respectivement des première 101 et deuxième 121 surfaces disposées en regard de manière que le thermocouple 20 soit interposé entre lesdites première 101 et deuxième 121 surfaces. Les première 101 et deuxième 121 surfaces peuvent avoir une forme convexe. Le thermocouple 20 est alors interposé entre les surfaces convexes 101 et 121 qui procurent un effet ressort, lors du transfert de la pression P au thermocouple 20. Cela permet de manière avantageuse d'homogénéiser la contrainte appliquée au thermocouple 20. Avantageusement, les première 101 et deuxième 121 surfaces sont sensiblement planes et parallèles. La forme particulière des premier et deuxième conduits 10 et 12, permet avantageusement de faciliter l'assemblage du thermocouple 20 et sa disposition entre ces deux conduits. Elle permet aussi d'obtenir une meilleure répartition de la contrainte de bridage et une réduction de la résistance thermique de contact.
En outre, la disposition du thermocouple 20 entre les surfaces planes permet, de manière avantageuse, de transférer facilement et efficacement la pression P appliquée aux deux demi-conduits 14 et 15 sur le thermocouple 20 disposé entre les deux conduits 10 et 12. Ainsi, le thermocouple 20 subit une contrainte de compression oc appliquée par les premier et deuxième conduits 10 et 12.
À titre d'exemple, les demi-conduits 14 et 15 peuvent avantageusement avoir une section transversale en U (figure 5). Ainsi, chaque demi-conduit 14 et 15 comporte deux surfaces latérales reliées par une surface centrale. Lors de l'assemblage, le thermocouple 20 peut être disposé sur la surface centrale
121 du premier demi-conduit 14 (figure 6). Par ailleurs, le premier conduit 10 a, préférentiellement, une forme parallélépipédique de sorte qu'il ait une surface plane 101. Le premier conduit 10 est ensuite disposé sur le thermocouple 20 de manière que la surface plane 101 soit parallèle à la surface centrale 121 du premier demi-conduit 14. Autrement dit, le thermocouple 20 est interposé entre la surface centrale 121 et la surface plane 101 (figure 6). Pour former le deuxième conduit 12, le deuxième demi-conduit 15 est, dans un premier temps, disposé en regard du premier demi-conduit 14, plus particulièrement en regard de l'empilement comportant successivement, le premier-demi conduit 14, le thermocouple 20 et le premier conduit 10 (figure 7). Le deuxième conduit 12 forme ainsi l'espace interne E12, totalement indépendant de l'espace interne E10 du premier conduit 10.
Par ailleurs, pour des considérations thermiques et/ou mécanique, une cale 40 peut être interposée entre le premier conduit 10 et le deuxième conduit 12 (figure 4). La cale 40 et le thermocouple 20 étant disposés de part et d'autre, selon l'axe transversal 13, du premier conduit 10. La cale 40 est préférentiellement à base d'un matériau non compressible et thermiquement isolant. La cale permet ainsi de transférer efficacement la pression appliquée aux deux demi-conduits 14 et 15 au thermocouple 20. En outre, la cale 40 permet également d'isoler thermiquement les sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1.
Avantageusement, la cale est formée par un thermocouple additionnel 21 (figure 7). D'un point de vue électrique, cet agencement permet de manière avantageuse, de fournir une deuxième source de génération électrique pour une meilleure exploitation du gradient thermique créé par les premier 10 et deuxième 12 conduits. D'un point de vue thermique, cet agencement permet en outre, d'éloigner les conduits 10 et 12 l'un de l'autre, pour minimiser
l'influence thermique mutuelle des deux sources de chaleur du dispositif thermoélectrique 1.
Selon une mise en œuvre préférentielle, on prévoit l'utilisation d'une calandre comportant un faisceau de conduits du même type que le deuxième conduit 12. Par calandre, on entend une cavité ayant préférentiellement une forme cylindrique, délimitée par un corps creux. Une calandre permet une circulation d'un fluide donné autour d'un conduit, ou d'un faisceau de conduits, logé dans la calandre, formant ainsi une des deux sources de chaleur du dispositif thermoélectrique.
Comme illustré aux figures 8 et 9, le procédé prévoit l'utilisation d'une calandre 30, s' étendant le long d'un axe longitudinal 11'. Préférentiellement l'axe longitudinal 11' de la calandre est parallèle à l'axe longitudinal 11 des conduits 10 et 12. La calandre 30 est munie de deux plaques 31 et 32 disposées respectivement aux deux extrémités de la calandre 30, opposées selon l'axe longitudinal 11'.
La calandre 30 et le deuxième conduit 12, ou le faisceau des conduits 12, délimitent un volume de calandre V30, totalement indépendant de l'espace interne E12 de chaque conduit 12. Par ailleurs, la calandre 30 peut comporter une entrée et une sortie, configurées pour faire circuler un fluide, préférentiellement caloporteur, dans la cavité de la calandre 30 autour du deuxième conduit 12. Le fluide circulant dans la calandre 30 est en contact avec les parois externes du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12.
De manière préférentielle, la calandre 30 a une forme cylindrique dont les deux plaques 31 et 32 constituent les bases. En outre, les plaques 31 et 32 comportent chacune au moins un orifice traversant. Sur la figure 8, la plaque 31 comporte l'orifice 3 1 et la plaque 32 comporte l'orifice 321.
Les orifices 311 et 321 sont percés dans les plaques 31 et 32 de manière à pouvoir recevoir le deuxième conduit 12. En fait, le deuxième conduit 12 comporte deux extrémités longitudinales 122 et 123, autrement dit, des extrémités opposées selon l'axe longitudinal 11 des conduits 10 et 12. Chacune des extrémités communique avec l'orifice (311 ou 321) formé dans une desdites plaques (31 ou 32). Par ailleurs, l'ensemble deuxième conduit 12 et calandre 30 est solidarisé de manière étanche.
Préférentiellement, le conduit 12 est disposé de manière à être sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 11' de la calandre. Par ailleurs, le conduit 12 peut également être disposé dans la calandre 30, entre les plaques 31 et 32, selon une direction quelconque, par exemple inclinée ou courbée.
A titre d'exemple, chacune des extrémités (122 ou 123) est configurée pour être engagée dans l'orifice (311 ou 321) d'une des deux plaques 31 et 32. Les extrémités du deuxième conduit 12 sont ensuite solidarisées de manière étanche aux plaques 31 et 32 de la calandre 30, notamment par brassage, soudage, ou tout autre moyen connu. Ainsi, le deuxième conduit 12 est disposé entre les plaques 31 et 32 de la calandre 30. L'espace interne Ei2 étanche du deuxième conduit 12, est accessible uniquement via les deux orifices 311 et 321 formés respectivement dans les plaques 31 et 32, qui sont communément appelées « plaques tubulaires » de la calandre 30. De plus, cet espace interne E12 est totalement indépendant du volume V30 de la calandre 30. De la même manière que pour un seul deuxième conduit 12, un faisceau de conduits 12, préférentiellement identiques, peut être avantageusement assemblé entre ces deux plaques 31 et 32. De manière avantageuse, le procédé utilise également un faisceau de conduits du même type que le premier conduit 10. Selon un mode particulier de mise en œuvre, on prévoit l'utilisation de deux plaques additionnelles.
Comme illustré à la figure 8, on prévoit deux plaques additionnelles 33 et 34 comportant chacune, au moins un orifice de circulation traversant 331 et 341. Les orifices de circulation 331 et 341 sont percés dans les plaques additionnelles 33 et 34 de manière à recevoir le premier conduit 10. Par ailleurs, la calandre 30 est interposée entre les deux plaques additionnelles 33 et 34. Le premier conduit 10, comportant deux extrémités longitudinales opposées 102 et 103, est disposé entre les deux plaques additionnelles 33 et 34. Chacune des extrémités 102 et 103 du premier conduit 10 communique avec l'orifice de circulation 331 et 341 formé dans une desdites plaques additionnelles 33 et 34.
A titre d'exemple, chacune les extrémités 102 et 103 du premier conduit 10 sont engagées dans les orifices 331 et 341 respectivement des deux plaques additionnelles 33 et 34. Ces extrémités sont ensuite solidarisées de manière étanche aux plaques additionnelles 33 et 34 par tout moyen connu. Le premier conduit 10, logé dans le deuxième conduit 12, traverse ainsi la calandre 30 sans qu'il ait aucune interaction entre l'espace interne E-|0 du premier conduit 10 et l'environnement du volume V30 de la calandre 30.
L'espace interne E-io étanche du premier conduit 10, est accessible uniquement via les deux orifices 331 et 341 formés respectivement dans les plaques additionnelles 33 et 34. L'espace interne Ei0 du premier conduit 10 est totalement indépendant du volume V30 de la calandre 30 et de l'espace interne E12 du deuxième conduit 12. De la même manière que pour un seul premier conduit 10, un faisceau de conduits 10, préférentiellement identiques, peut être avantageusement assemblé entre ces deux plaques additionnelles 33 et 34. Ce mode particulier d'assemblage, permet avantageusement d'accéder aux espaces internes E10 de tous les conduits 10 simultanément, via les deux plaques additionnelles 33 et 34. Ainsi, les deux plaques additionnelles 33 et
34 peuvent former, respectivement une entrée et une sortie d'un fluide pouvant circuler en même temps dans les différents conduits 10.
Ce mode particulier de mise en œuvre, permet de former une source de chaleur comportant le premier conduit 10, ou un faisceau de conduits, configuré pour faire circuler un fluide, préférentiellement caloporteur. Cette source de chaleur est avantageusement indépendante de la calandre 30 et donc de la source de chaleur comportant le deuxième conduit 12. Ainsi, le procédé de réalisation permet avantageusement de réaliser un dispositif thermoélectrique 1 agencé de manière à comporter plusieurs couples de premier et deuxième conduits (10 et 12), autrement dit plusieurs thermocouples (20., 21) ou de modules thermoélectriques (25, 26) disposés entre deux différentes sources de chaleur. Cet agencement avantageux, permet ainsi d'augmenter la capacité de génération électrique du dispositif thermoélectrique 1.
Avantageusement, au niveau d'une extrémité de la calandre 30, selon l'axe longitudinal 11 ', une plaque de la calandre 31 ou 32 est solidarisée de manière étanche avec une plaque additionnelle 33 ou 34. Cet assemblage est effectué de manière que les plaques solidarisées forment un espace vide Eip qu'on nommera espace inter-plaques.
Préférentiellement, les plaques sont solidarisées entre elles au niveau de leurs périphéries, de sorte que l'orifice ou les orifices formés dans la plaque de la calandre (31 ou 32) communiquent avec l'espace inter-plaques Eip, et qu'ils ne soient pas obturés par la plaque additionnelle (33 ou 34). À titre d'exemple, l'espace inter-plaques Eip peut être réalisé par un lamage dans l'épaisseur de l'une des deux plaques assemblées. La solidarisation des deux plaques peut être obtenue par tout moyen connu, par exemple par une soudure ou par l'utilisation d'un joint comprimé 50 par bridage entre les plaques solidarisées.
Ainsi, cette étape d'assemblage permet de former un espace inter-plaques Eip communiquant avec l'espace interne E12 du deuxième conduit, ou du faisceau de conduits 12 via l'orifice ou les orifices de la plaque (31 ou 32) de la calandre 30. L'espace inter-plaques Eip est totalement indépendant de l'espace de la calandre V30. En outre, l'espace inter-plaques Eip est totalement indépendant de l'espace interne E10 du premier conduit 10 ou du faisceau de conduits 10 collecté par la plaque additionnelle (33 ou 34).
Avantageusement, une canalisation de sortie 37 est réalisée dans une des plaques entre lesquelles l'espace inter-plaques Eip est disposé. La canalisation de sortie 37 est configurée de manière à communiquer avec l'espace inter-plaques Eip. La canalisation de sortie 37 comporte préférentiellement une vanne configurée pour régler l'ouverture de la canalisation 37, et éventuellement le débit d'un fluide à l'intérieur de l'espace interne E12 du conduit 12 ou du faisceau de conduits 12 via l'espace interplaques Eip.
Afin d'éviter les problèmes de corrosion des éléments du dispositif thermoélectrique 1 , notamment les conduits 10 et 12 ainsi que les éléments du thermocouple 20, le volume interne E12 du deuxième conduit 12 est avantageusement mis sous vide. Autrement dit, l'espace interne E12 du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12 est tiré au vide via la canalisation de sortie 37 et l'espace inter-plaques Eip. Par ailleurs, le volume interne E12 du deuxième conduit 12 peut également être mis sous un gaz inerte : l'espace inter-plaques Eip et l'espace interne E12 sont sous atmosphère inerte. Autrement dit, l'espace étanche E12 du deuxième conduit 12, ou du faisceau de conduits 12 est rempli par un gaz inerte, via la canalisation de sortie 37 et l'espace inter-plaques Eip. Â titre d'exemple, le gaz inerte peut être à base d'argon, d'hélium ou d'azote.
L'utilisation du dispositif thermoélectrique 1 ainsi réalisé, comporte préférentiellement, la circulation de fluides caloporteurs respectivement, dans le premier conduit 10 et autour du deuxième conduit 12. Selon un mode préférentiel de génération d'un courant électrique par le dispositif thermoélectrique 1 illustré à la figure 9, on fait circuler un premier fluide F1 ayant une première température T1 dans le premier conduit 10. De plus, autour du deuxième conduit 12, on fait circuler un deuxième fluide F2 ayant une deuxième température T2, préférentiellement, inférieure à la première température T1.
Autrement dit, dans ces conditions, la source chaude du dispositif thermoélectrique 1 est représentée par le premier conduit 10 et la source froide est représentée par le deuxième conduit 12. Cet agencement particulier des sources de chaleur permet avantageusement d'accentuer, sinon de conserver les contraintes de compression appliquées au thermocouple 20 par les premier 10 et deuxième12 conduits.
En fait, lorsque la température T1 du fluide F1 est suffisamment élevée, par exemple supérieure à 100 °C, généralement supérieure à 250°C, le premier conduit 10, qui est généralement à base d'un matériau métallique, a tendance à se dilater. De manière analogue, lorsque la température T2 du deuxième fluide F2 est suffisamment basse, par exemple inférieure à 100 °C, le deuxième conduit 12 a tendance à se contracter. Les déformations thermomécaniques du premier conduit 10 et du deuxième conduit 12 ainsi générées, entraînent une application d'une pression, ayant une direction allant du premier conduit 10 vers le deuxième conduit 12, au thermocouple 20. De ce fait, la circulation du premier fluide F1 ayant la première température T1 et/ou du deuxième fluide F2 ayant la deuxième température T2 contribue avantageusement à l'augmentation de la contrainte de compression initialement appliquée au thermocouple 20.
De manière avantageuse, le dispositif thermoélectrique 1 exploite l'évacuation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion. Autrement dit, les gaz d'échappement sont utilisés pour contribuer à la formation d'une source de chaleur au sein du dispositif thermoélectrique 1.
Le procédé de génération d'un courant électrique peut ainsi comporter une étape au cours de laquelle les gaz d'échappement du moteur à combustion sont évacués de manière à circuler dans le premier conduit 10. Ainsi, l'évacuation des gaz d'échappement peut contribuer, de manière avantageuse, à former la source chaude du dispositif thermoélectrique 1. Lorsqu'un conduit, ou plusieurs conduits 10 sont collectés par les plaques additionnelles 33 et 34, les gaz d'échappement peuvent être orientés vers l'une de ces plaques additionnelles. Les gaz d'échappement sont introduits à travers l'une des plaques additionnelles 33 ou 34, puis ils circulent dans le ou les conduits 10 pour sortir à travers l'autre plaque additionnelle.
Par ailleurs, les gaz d'échappement du moteur à combustion peuvent également être évacués de manière à circuler autour du deuxième conduit 12. Lorsque plusieurs conduits 12 sont collectés par les plaques 31 et 32 de la calandre 30, les gaz d'échappement peuvent être acheminés par un conduit d'échappement connecté à l'entrée de la calandre 30 de manière à circuler autour du ou des conduits 12, pour être évacués ensuite via la sortie de la calandre 30. De ce fait, le dispositif thermoélectrique 1 peut être installé dans un appareil, comportant un moteur à combustion, par exemple un véhicule. D'une manière générale, ce type d'appareil comporte un alternateur entraîné par ledit moteur, pour générer de l'électricité. Ainsi, le dispositif thermoélectrique 1 , générant une énergie électrique à partir d'une conversion de la chaleur des gaz d'échappement, permet avantageusement de réduire la consommation en combustible du moteur, en remplaçant l'alternateur de façon définitive ou provisoire.
Claims
1. Dispositif thermoélectrique (1) comportant :
• une calandre (30) s'étendant le long d'un axe longitudinal (1 1 ') et munie de deux plaques (31 , 32) comportant chacune un orifice traversant (31 1 ,
321), et disposées respectivement à deux extrémités de la calandre (30) opposées selon l'axe longitudinal (1 1 ') ;
• deux plaques additionnelles (33, 34) comportant chacune un orifice de circulation (331 , 341), et disposées de manière que la calandre (30) soit interposée entre les deux plaques additionnelles (33, 34) ;
• un premier conduit (10) disposé dans un deuxième conduit (12), les premier (10) et deuxième (12) conduits étant disposés dans la calandre et s'étendant le long d'un axe longitudinal (1 1 ) et comportant chacun deux extrémités (102, 103, 122, 123) opposées selon l'axe longitudinal (11 ) ;
• un thermocouple (20) interposé entre les premier (10) et deuxième (12) conduits ;
le deuxième conduit (12) étant assemblé sur les deux plaques (31 , 32) de sorte que chacune des extrémités (122, 123) du deuxième conduit (12) communique avec l'orifice (31 1 , 321) de l'une des plaques (31 , 32) et que l'ensemble deuxième conduit (12) et calandre (30) soit étanche ; et
le premier conduit (10) étant assemblé de manière étanche sur les deux plaques additionnelles (33,34) de sorte que chacune des extrémités (102, 103) du premier conduit (10) communique avec l'orifice de circulation (31 1 , 321 ) formé dans l'une des plaques additionnelles (33, 34).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'une des deux plaques (31 ) de la calandre (30) est solidarisée de manière étanche avec une des deux plaques additionnelles (33) de manière à délimiter un espace inter-plaque (Eip) communiquant avec un espace interne (E12) délimité par le deuxième conduit (12) via au moins l'orifice (31 1) formé dans la plaque (31) de la calandre (30), et
en ce qu'une canalisation de sortie (37) est formée dans une des plaques solidarisées (31 ou 33), et communique avec l'espace inter-plaques (Eip).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise sous vide de l'espace inter-plaques (Eip) et l'espace interne
(E12) via la canalisation de sortie (37).
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace interplaques (Eip) et l'espace interne (E12) sont sous atmosphère inerte.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le thermocouple (20) s'étend le long d'un axe transversal (13), et en ce que les premier ( 0) et deuxième (12) conduits sont conformés de manière que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression (oc), selon l'axe transversale (13), entre lesdits premier (10) et deuxième (12) conduits.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance d1 séparant les premier (10) et deuxième (12) conduits au niveau de la section transversale du thermocouple (20), est inférieure à la dimension transversale d2 du thermocouple (20), la distance d1 et la dimension d2 étant mesurées à une même température (Tmes).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de circulation d'un premier fluide à une première température (T1 ) dans le premier conduit (10), et d'un deuxième^ fluide recouvrant le deuxième conduit (12), le deuxième fluide étant à une deuxième température (T2) inférieure à la première température (T1).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de circulation de fluides sont configurés pour faire circuler un fluide pressurisé dans le premier conduit (10) et/ou dans le deuxième conduit (12).
9. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes suivantes :
- prévoir les premier (10) et deuxième (12) conduits, le premier conduit (10) étant configuré pour être logé dans le deuxième conduit (12) et s'étendre selon l'axe longitudinal du deuxième conduit (12) ;
- prévoir le thermocouple (20) s'étendant le long de l'axe transversal (13) ; caractérisé en ce que la température du premier conduit (10) et/ou du thermocouple (20) est inférieure à la température du deuxième conduit (12) lors de l'assemblage des premier et deuxième conduits (10, 12) et du thermocouple (20) pour former le dispositif thermoélectrique (1) de sorte que le thermocouple (20) subisse une contrainte de compression, selon l'axe transversale ( 3), entre les premier et deuxième conduits (10, 12).
10. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant les étapes suivantes :
- prévoir des premier (14) et deuxième (15) demi-conduits s'étendant le long de l'axe longitudinal ( 1 ) et configurés pour former le deuxième conduit (12) en assemblant les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) ;
- disposer les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) en regard de manière que le premier conduit (10) soit logé entre les deux demi-conduits (14, 15), et que le thermocouple (20) soit interposé entre le premier demi- conduit (14) et le premier conduit (10) ;
- presser les premier (14) et deuxième (15) demi-conduits l'un vers l'autre de manière à imposer au thermocouple (20) une contrainte de compression, selon l'axe transversal (13), entre le premier demi-conduit (14) et le premier conduit (10) ;
- solidariser les premier et deuxième demi-conduits (14, 15) pour former le deuxième conduit (12), le thermocouple (20) étant maintenu en compression, selon l'axe transversal (13), entre les premier (10) et deuxième (12) conduits.
11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les premier et deuxième conduits (10, 12) comportent respectivement des première (101) et deuxième (121) surfaces sensiblement planes et parallèles, disposées en regard de manière que le thermocouple (20) soit interposé entre lesdites première (101) et deuxième (121) surfaces.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce qu'une lamelle d'interface (16) à base d'un matériau électriquement isolant est interposée, entre le thermocouple (20) et le premier conduit (10), et/ou entre le thermocouple (20) et le deuxième conduit (12).
13. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- faire circuler un premier fluide (F1) ayant une première température (T1), dans le premier conduit (10) ;
- faire circuler un deuxième fluide (F2) ayant une deuxième température (T2) inférieure à la première température (T1), autour du deuxième conduit (12).
14. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent dans le premier conduit (10).
15. Procédé de génération d'un courant électrique par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des gaz d'échappement évacués par un moteur thermique circulent autour du deuxième conduit (12).
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- 2014-07-15 US US14/906,159 patent/US20160163946A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (4)
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