WO2017046492A1 - Dispositif thermo électrique, notamment destiné a générer un courant électrique dans un véhicule automobile - Google Patents

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WO2017046492A1
WO2017046492A1 PCT/FR2016/052266 FR2016052266W WO2017046492A1 WO 2017046492 A1 WO2017046492 A1 WO 2017046492A1 FR 2016052266 W FR2016052266 W FR 2016052266W WO 2017046492 A1 WO2017046492 A1 WO 2017046492A1
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housing
fluid
thermoelectric
elements
casing
Prior art date
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PCT/FR2016/052266
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Inventor
Kamel Azzouz
Patrick Boisselle
Cédric DE VAULX
Véronique MONNET
Ambroise SERVANTIE
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Valeo Systemes Thermiques
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Publication date
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/04—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust using liquids
    • F01N3/043—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust using liquids without contact between liquid and exhaust gases
    • F01N3/046—Exhaust manifolds with cooling jacket
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Thermoelectric device in particular for generating an electric current in a motor vehicle
  • the present invention relates to a module and a thermoelectric device, in particular for generating an electric current in a motor vehicle.
  • thermo devices also called electric thermo generators or TEG according to the acronym "ThermoElectric Generator”
  • TEG electric thermo generators
  • electric thermo elements to generate an electric current in the presence of a temperature gradient between two of their opposite faces according to the phenomenon known as the Seebeck effect.
  • These devices comprise a stack of first tubes, intended for the circulation of the exhaust gases of an engine, and second tubes, intended for the circulation of a heat transfer fluid of a cooling circuit.
  • the electrical thermo elements are sandwiched between the tubes so as to be subjected to a temperature gradient from the temperature difference between the hot exhaust gases and the cold cooling fluid.
  • thermoelectric devices having a plurality of thermoelectric modules have already been developed, each module comprising annular-shaped thermoelectric elements in which the first fluid and the second fluid flow transversely relative to each other.
  • a thermoelectric module comprises a plurality of annular-shaped thermoelectric elements arranged in the longitudinal extension of one another in a coaxial manner, with for example an alternation of N-type thermoelectric elements and thermoelectric elements. P-type electrical elements.
  • thermoelectric element has fins extending from the outer periphery, transversely and radially. These fins, usually obtained in aluminum or stainless steel and crimped on the outer diameter of the rings of the thermoelectric elements, make it possible to promote heat exchange with the hot exhaust gases flowing through said fins, a fluid cold circulating in the center of the electric thermo elements, and extract the maximum heat of the exhaust gases to transfer it to thermoelectric materials.
  • Said modules thus comprise electric thermo elements which are assembled in the form of cylindrical rods and are distributed in a cylindrical enclosure so that the hot exhaust gases circulate freely between each module while a heat transfer fluid of a cooling circuit circulates in the center of the electric thermo elements.
  • thermoelectric device has the disadvantage of providing a warming of cold sources outside the thermoelectric circuit which strike the efficiency of the thermoelectric device.
  • thermoelectric device comprising at least one casing of tubular shape, one of whose ends is closed by a collector of a first fluid and a collector of a second fluid, and wherein extends a plurality of thermoelectric element modules extending parallel to the longitudinal axis of the housing, each module consisting of a plurality of thermoelectric elements having a cylinder or prism shape right provided with a central recess, traversed by a central tube of said module, and being capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between a first so-called outer face defined by an outer periphery surface and a said inner second surface defined by an inner periphery surface, the first fluid being intended to flow through the central recess and a second fluid being intended to circulate around the outer periphery, said intake manifold of the first fluid consists of a cylindrical nozzle opening into the housing, in particular by flaring, and the collector of the second fluid consists of a housing through
  • thermoelectric device avoids heating of the cold source circulating in the housing outside the thermoelectric circuit thus improving the efficiency of the thermoelectric device.
  • said casing is in the form of a cylindrical crown
  • said housing comprises two lateral walls which have the shape of a disk provided with a circular central hole, through which the nozzle extends, an inner wall, in particular cylindrical, and an outer wall, in particular cylindrical,
  • said means consist of a spacer bearing respectively on the side wall of the casing and on one of the side walls of the housing in which holes are provided which receive the central tubes of the electric thermo modules,
  • the compression means are needle screws extending into tapped holes in a ring integral with the nozzle extending through the central hole of the housing, the points of the needle screws bearing on the opposite side wall of the housing,
  • At least one thermal barrier between the intake manifold of the first fluid and the intake manifold of the second fluid is provided
  • the thermal barrier consists of an insulating sleeve extending between the inner wall of the housing and the nozzle,
  • said insulating sleeve has a cylindrical shape and is integral with the ring carrying the needle screws
  • collectors are respectively intake manifolds of the second fluid and inlet and / or exhaust of the first fluid
  • said device further comprises an exhaust manifold of said second fluid
  • said modules further comprise an envelope covering said thermoelectric elements and comprising at least a first inlet slot of the second fluid and a second so-called exhaust slot of said second fluid.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric device according to the invention comprising several modules of thermoelectric elements,
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective longitudinal section of the thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 4 schematically illustrates, in cross-section, a thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 6 is a perspective view of the heat transfer fluid intake manifold of the thermoelectric device according to the invention.
  • FIG. 7 is a perspective longitudinal sectional view of the heat transfer fluid intake manifold of the thermoelectric device according to the invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of the exhaust gas exhaust manifold of the thermoelectric device according to the invention.
  • Figure 9 is a longitudinal sectional perspective view of the exhaust gas exhaust manifold of the thermoelectric device according to the invention.
  • thermoelectric device 1 comprising a plurality of modules 2, as will be detailed below, positioned circularly and extending parallel to the inside of a housing 3 of tubular form whose ends are closed by an intake manifold 4 of a first fluid, in this case hot exhaust gases, and an intake manifold 5 of a second fluid, namely a heat transfer fluid of a cooling circuit, and respectively by an exhaust manifold 6 of said first and second fluids.
  • the casing 3 has a circular cross section and the modules 2 of thermoelectric elements are positioned circularly inside said casing 3 about the axis of revolution of said casing 3.
  • each module 2 comprises a plurality of electric thermo elements 7n, 7p, in the form of a cylinder or of a right prism and having a central recess, capable of generating an electric current under the action of a gradient temperature exerted between a first outer face defined by an outer periphery surface and a second inner face defined by an inner periphery surface, the second fluid being adapted to flow through the central recess and the first fluid to be circulating around the outer periphery, and a casing 8 covering the said thermoelectric element (s) 7n, 7p, consisting of at least two assembled parts 8a, 8b, and comprising at least a first so-called inlet slot 9 of the second fluid and a second so-called exhaust slot 10 of said second fluid, said second fluid consisting of exhaust gases.
  • the outer and inner faces of the electric thermo elements 7n, 7p are for example circular. However, more generally, any section of rounded shape, such as an oval shape for example, and / or polygonal is possible.
  • Such elements operate, according to the Seebeck effect, by making it possible to create an electric current in a load connected between the inner and outer faces of the electric thermo elements 7n, 7p subjected to the temperature gradient.
  • such elements consist, for example, of Bismuth and Tellurium (Bi 2 Te 3 ).
  • the electric thermoelectric elements 7 may be, for a first part, elements 7p of a first type, called P, making it possible to establish an electric potential difference in a direction, called positive, when they are subjected to a gradient of given temperature, and, for the other part, elements 7n of a second type, called N, allowing the creation of a difference of electric potential in an opposite direction, called negative, when they are subjected to the same gradient of temperature.
  • Said thermoelectric elements 7p, 7n are arranged, for example, in the longitudinal extension of one another, in particular in a coaxial manner, and the P-type thermoelectric elements alternate with the N-type thermoelectric elements, according to a direction D. They are, in particular, of identical shape and size. They may, however, have a thickness, that is to say a dimension between their two planar faces, different from one type to another, particularly depending on their electrical conductivity.
  • thermoelectric elements 7p, 7n are, for example, grouped in pairs, each pair being formed of a said P-type thermoelectric element and a said N-type thermoelectric element, and the said module is configured to allow a current flow between the first surfaces of the electric thermo elements 7 of the same pair and a flow of current between the second surfaces of each of the electric thermo elements 7 of the same pair and the thermoelectric element 8 adjacent to the neighboring pair. In this way, a series flow of the electric current is ensured between the electric thermo elements 7p, 7n disposed next to each other along the direction D.
  • the module according to the invention comprises a channel 11 for cold liquid circulation in contact with said second surface of said electric thermo elements 7p, 7n.
  • the cold liquid circulation channel 11 is unique and placed in the center of the module. According to one variant, a plurality of cold liquid circulation channels may be provided.
  • the one or more liquid circulation channels 11 consist of one or more tubes, for example, of circular section.
  • Said module 2 thus comprises a cold liquid circulation tube 11 on which are mounted a plurality of electric thermo elements 7 of the same type alternating in the direction of longitudinal extension D of the tube 11 with a thermoelectric element of the other type .
  • the tubes 11 are, in particular, metallic.
  • Said module 2 may furthermore comprise electrical insulation means, not shown in the figures, arranged between two faces vis-à-vis neighboring thermoelectric elements 7p, 7n in the direction of longitudinal extension D of the tube 11 .
  • Said module 2 may further comprise first electrical connection means, not shown in the figures, connecting the outer periphery surfaces of two of said thermoelectric elements 7, provided adjacent and of different types.
  • Said first electrical connection means comprise, for example, a layer of electrically conductive material, in particular copper and / or nickel, coating said electric thermo elements 7p, 7n.
  • Said module 2 advantageously comprises secondary exchange surfaces, in particular fins 12, with the second fluid.
  • Said fins 12 are arranged, for example, transversely, in particular radially to said electric thermo elements 7. They are here positioned parallel to each other with a spacing allowing a good heat exchange with the second fluid while limiting the losses of charges.
  • Said fins 12 may be off-center with respect to said electric thermo elements 7p, 7n, in particular elongated on the side of the arrival of the second fluid.
  • Said fins 12 may comprise a catalytic coating for catalytic conversion of toxic components of the second fluid.
  • said module 2 can in this way equip a catalytic converter in addition or substitution of components conventionally used for catalysis in such equipment.
  • the module may furthermore comprise second electrical connection means establishing an electrical connection between the inner periphery surfaces of two of said adjacent thermoelectric elements 7, of different types and not connected by said first electrical connection means.
  • said first and second electrical connection means connect in pairs said electric thermoelectric elements 7 so as to establish an electrical flow in series between said thermoelectric elements 8 of the module 2.
  • the casing 8 is of at least two assembled parts 8a, 8b, and comprises at least a first so-called inlet slot 9 of the second fluid and a second so-called exhaust slot 10 of said second fluid.
  • said envelope 8 consists of two parts 8a, 8b respectively corresponding to a fraction of tube of circular cross-section, each fraction of tube being substantially hemi-cylindrical, and closed at its ends respectively by a washer 13 of complementary shape, that is to say of circular shape, comprising at least two lugs 14 extending outwardly from the periphery of said washer 13 of so as to form at least two slots 9 and 10 between said tube fractions 8a, 8b.
  • thermoelectric device 1 comprises a plurality of modules 2, as described above, positioned circularly and extending parallel to the inside of a housing 3. tubular shape whose ends are closed by an intake manifold 4 of a first fluid and an intake manifold 5 of a second fluid and respectively by an exhaust manifold 6 of said first and second fluids.
  • Said intake manifold 4 of the first fluid consists of a cylindrical nozzle 15 opening into the casing 3 flaring and the collector 5 of the second fluid consists of a casing 16 in the form of a cylindrical ring, comprising two side walls 17, 18 which have the shape of a disk provided with a circular central hole 19, a cylindrical inner wall 20 and a cylindrical outer wall 21, holes 22 formed on one of the side walls 18 for receiving the central tubes 11 of the modules thermoelectric 2, said holes 22 being provided with sealing means constituted by O-rings 23.
  • said housing 16 comprises at least one internal partition defining at least one so-called inlet chamber and an exhaust chamber, and at least one so-called intake manifold 24 opening into the intake chamber and an exhaust manifold 25 opening into the exhaust chamber.
  • the intake pipes 24 and exhaust pipes 25 extend radially from the outer peripheral wall 21 of the housing 16.
  • the housing 16 is secured to one of the side faces of the housing 3 by means providing thermal insulation of said housing 16. These means consist of a spacer 26 cylindrical respectively bearing on the side wall of the housing 3 and on the side wall 18 of the case 16 in the holes 22 receiving the central tubes of the electric thermo modules 2 are formed.
  • the housing 16 and the spacer 26 are held in compression on the lateral face of the casing 3 by set screws 27 extending in tapped holes 28 made in a ring 29 integral with the nozzle 15 extending through the central hole 19 of the housing 16, the tips of the needle screws 27 bearing on the opposite side wall 17 of the housing 16.
  • the set screws 27 provide surfaces of extremely limited contact so that the conduction between the metal parts of the nozzle 15 in which the hot exhaust gas flows and the housing 16 forming the cooling circuit is cut by a high contact resistance.
  • the cylindrical spacer 26 can significantly reduce heat transfer between the housing 3 which receives the hot exhaust gas and the housing 16 forming the cooling circuit.
  • the cylindrical spacer 26 has an outer diameter substantially equal to the outer diameter of the housing 16.
  • the spacer 26 may have any shape and dimensions.
  • the spacer 26 may be substituted by a plurality of spacers without departing from the scope of the invention.
  • the device comprises an insulating sleeve 30 extending between the inner wall 20 of the housing 16 and the nozzle 15.
  • This insulating sleeve 30 has a cylindrical shape and is integral with the ring 29 carrying the set screws 28.
  • the exhaust manifold 6 consists of a conical shaped part secured to the casing 3 and in communication with gutters 31 extending between two modules 2 of electric thermoelectric elements. contiguous intake slot 32 in fluid communication with the exhaust slot 10 of a module 2. Said exhaust manifold 6 also comprises an inner ring 33 having holes 34 receiving the central tubes 11 of the electric thermo modules 2 in which circulates the heat transfer fluid of the cooling circuit, said holes 34 having sealing means consisting of O-rings 35. Said ring 33 has internal walls, not shown in the figures, for communicating two central tubes 11 of the modules 2.
  • the device advantageously comprises an internal enclosure 36 of conical shape extending inside the collector of exhaust 6 by capping the inner ring 33 and air circulation nozzles whose ends open respectively into the inner chamber 36 and at lights in the wall of the exhaust manifold 6 to allow air circulation around the inner ring 36.
  • the hot exhaust gases are introduced into the casing 3 via the intake manifold 4, and more particularly the nozzle 15, at the center of the modules 2 of electric thermoelectric elements, then they pass in the envelopes 8 of said modules 2 through the intake slots 9 of said envelopes 8.
  • the exhaust gas passes through all the fins 12 before emerging envelopes 8 via the exhaust slots 10 and be recovered by the gutters 31 and be evacuated by the exhaust manifold 6.
  • the heat transfer fluid of the cooling circuit is introduced into the intake manifold 4 via the inlet pipes 24 of the housing 16 to circulate in the central tubes 11 via the inner ring 33 of the exhaust manifold 6 before escaping through the exhaust pipes 25 of said housing 16.

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Abstract

Dispositif thermo électrique comprenant un carter (3) de forme tubulaire dont l'une des extrémités est fermée par un collecteur d'un premier fluide et un collecteur d'un second fluide, et dans lequel s'étend une pluralité de modules (2) d'éléments thermo électrique (7p, 7n) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du carter (3), chaque module étant constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques (7p, 7n) ayant une forme de cylindre ou de prisme droit muni d'un évidement central, parcouru par un tube central (11) dudit module, le premier fluide circulant à travers l'évidement central et un second fluide circulant autour de la périphérie extérieure, ledit collecteur d'admission du premier fluide consiste en une tuyère cylindrique (15) débouchant dans le carter (3) et le collecteur du second fluide est constitué d'un boitier (16), à travers lequel s'étend la tuyère (15), des moyens procurant une isolation thermique entre le boîtier (15) et le carter (3).

Description

Dispositif thermo électrique, notamment destiné à générer un courant électrique dans un véhicule automobile
La présente invention se rapporte à un module et un dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile.
Dans le domaine automobile, a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques, également appelés générateurs thermo électriques ou TEG selon l'acronyme anglo-saxon « ThermoElectric Generator », utilisant des éléments, dits thermo électriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermo électriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid.
Des tels dispositifs sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. I ls offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entraînée par le vilebrequin du moteur. II a déjà été développé des dispositifs thermo électriques comportant une pluralité de modules thermo électrique, chaque module comportant des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le premier fluide et le second fluide circulent de manière transversale l'un par rapport à l'autre. Un tel module thermo électrique comporte une pluralité d'éléments thermo électriques de forme annulaires disposés dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre de façon coaxiale, avec par exemple une alternance d'éléments thermo électriques de type N et d'éléments thermo électriques de type P. Chaque élément thermo électrique comporte des ailettes s'étendant depuis la périphérie extérieure, transversalement et radialement. Ces ailettes, usuellement obtenues dans de l'aluminium ou de l'inox et serties sur le diamètre extérieure des anneaux des éléments thermo électriques, permettent de favoriser les échanges thermiques avec les gaz chauds d'échappement qui circulent à travers lesdites ailettes, un fluide froid circulant au centre des éléments thermo électriques, et extraire le maximum de chaleur des gaz d'échappement pour la transférer aux matériaux thermo électriques.
Lesdits modules comportent ainsi des éléments thermo électriques qui sont assemblés sous forme de crayons cylindriques et sont répartis dans une enceinte cylindrique de telle sorte que les gaz chauds d'échappement circulent librement entre chaque module tandis qu'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement circule au centre des éléments thermo électriques.
Ce type de dispositif thermo électrique présente l'inconvénient de procurer un réchauffement des sources froides en dehors du circuit thermo électrique ce qui grève l'efficacité du dispositif thermo électrique.
L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un dispositif thermo électrique comprenant au moins un carter de forme tubulaire dont l'une des extrémités est fermée par un collecteur d'un premier fluide et un collecteur d'un second fluide, et dans lequel s'étend une pluralité de modules d'éléments thermo électrique s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du carter, chaque module étant constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques ayant une forme de cylindre ou de prisme droit muni d'un évidement central, parcouru par un tube central dudit module, et étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, le premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, ledit collecteur d'admission du premier fluide consiste en une tuyère cylindrique débouchant dans le carter, notamment en s'évasant, et le collecteur du second fluide est constitué d'un boîtier à travers lequel s'étend la tuyère, des moyens procurant une isolation thermique entre le boîtier et le carter.
On comprend bien que l'isolation thermique entre le boîtier et le carter permet d'éviter un réchauffement de la source froide circulant dans le boîtier en dehors du circuit thermo électrique améliorant ainsi l'efficacité du dispositif thermo électrique.
Selon différents mode de réalisation de l'invention, pris ensemble ou séparément :
- ledit boîtier est en forme de couronne cylindrique,
ledit boîtier comporte deux parois latérales qui présentent la forme d'un disque muni d'un trou central circulaire, à travers lequel s'étend la tuyère, une paroi intérieure, notamment cylindrique, et une paroi extérieure, notamment cylindrique,
- lesdits moyens consistent en une entretoise prenant appui respectivement sur la paroi latérale du carter et sur l'une des parois latérales du boîtier dans laquelle sont pratiqués des trous recevant les tubes centraux des modules thermo électriques,
le boîtier et l'entretoise sont maintenus sur le carter par des moyens de compression,
les moyens de compression sont des vis pointeau s'étendant dans des trous taraudés pratiqués dans un anneau solidaire de la tuyère s'étendant à travers le trou central du boîtier, les pointes des vis pointeau prenant appui sur la paroi latérale opposée du boîtier,
au moins une barrière thermique entre le collecteur d'admission du premier fluide et le collecteur d'admission du second fluide est prévue,
la barrière thermique consiste en un manchon isolant s'étendant entre la paroi intérieure du boîtier et la tuyère,
ledit manchon isolant présente une forme cylindrique et est solidaire de l'anneau portant les vis pointeau,
lesdits collecteurs sont respectivement des collecteurs d'admission du second fluide et d'admission et/ou d'échappement du premier fluide,
ledit dispositif comprend en outre un collecteur d'échappement dudit second fluide,
ledit collecteur d'échappement du second fluide ferme l'autre extrémité dudit carter,
lesdits modules comprennent en outre une enveloppe coiffant lesdits éléments thermo électrique et comportant au moins une première fente d'admission du second fluide et une seconde fente dite d'échappement dudit second fluide.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif thermo électrique conforme à l'invention comprenant plusieurs modules d'éléments thermo électriques,
la figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif thermo électrique conforme à l'invention,
- la figure 3 est une coupe longitudinale en perspective du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 4 illustre de façon schématique, en coupe transversale, un dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 5 est une vue en coupe longitudinale du dispositif thermo électrique conforme à l'invention,
- la figure 6 est une vue en perspective du collecteur d'admission du fluide caloporteur du dispositif thermo électrique conforme à l'invention,
la figure 7 est une vue en coupe longitudinale en perspective du collecteur d'admission du fluide caloporteur du dispositif thermo électrique conforme à l'invention,
la figure 8 est une vue en perspective du collecteur d'échappement des gaz d'échappement du dispositif thermo électrique conforme à l'invention,
la figure 9 est une vue en coupe longitudinale en en perspective du collecteur d'échappement des gaz d'échappement du dispositif thermo électrique conforme à l'invention.
Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
Comme illustré aux figures 1 et 2, l'invention concerne un dispositif thermo électrique 1 comprenant une pluralité de modules 2, comme il sera détaillé plus loin, positionnées circulairement et s'étendant parallèlement à l'intérieur d'un carter 3 de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par un collecteur d'admission 4 d'un premier fluide, en l'espèce des gaz chauds d'échappement, et un collecteur d'admission 5 d'un second fluide, à savoir un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, et respectivement par un collecteur d'échappement 6 desdits premier et second fluides. Le carter 3 présente une section droite circulaire et les modules 2 d'éléments thermo électriques sont positionnée circulairement à l'intérieur dudit carter 3 autour de l'axe de révolution dudit carter 3. En référence à la figure 2, chaque module 2 comprend une pluralité d'éléments thermo électriques 7n,7p, en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, le second fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et le premier fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe 8 coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques 7n,7p, constituée d'au moins deux parties assemblées 8a, 8b, et comportant au moins une première fente dite d'admission 9 du second fluide et une seconde fente dite d'échappement 10 dudit second fluide, ledit second fluide consistant dans les gaz d'échappement. On notera que les faces extérieures et intérieures des éléments thermo électriques 7n,7p sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale par exemple, et/ou polygonale est possible. De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre les faces intérieure et extérieure des éléments thermo électriques 7n,7p soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).
Les éléments thermo électriques 7 pourront être, pour une première partie, des éléments 7p d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments 7n d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Lesdits éléments thermo électriques 7p, 7n sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces planes, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité électrique.
Lesdits éléments thermo électriques 7p, 7n sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N, et ledit module est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermo électriques 7 d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo électriques 7 de ladite même paire et l'élément thermo électrique 8 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques 7p, 7n disposés les uns à côtés des autres selon la direction D.
Pour la circulation du premier fluide, c'est-à-dire le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, le module conforme à l'invention comprend un canal 11 de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde surface desdits éléments thermo électriques 7p, 7n.
Selon ce qui précède, le canal 11 de circulation de liquide froid est unique et placé au centre du module. Selon une variante, il pourra être prévu une pluralité de canaux de circulation de liquide froid.
Le ou lesdits canaux 11 de circulation de liquide sont constitués d'un ou plusieurs tubes, par exemple, de section circulaire. Ledit module 2 comprend ainsi un tube 11 de circulation de liquide froid sur lequel sont montés une pluralité d'éléments thermo électriques 7 du même type alternant selon la direction d'extension longitudinale D du tube 11 avec un élément thermo électrique de l'autre type. Les tubes 11 sont, notamment, métalliques.
Ledit module 2 pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique, non représentés sur les figures, disposés entre deux faces en vis-à- vis d'éléments thermo électriques voisins 7p, 7n selon la direction d'extension D longitudinale du tube 11.
Ledit module 2 pourra en outre comprendre des premiers moyens de connexion électrique, non représentés sur les figures, reliant les surfaces de périphérie extérieur de deux desdits éléments thermo électrique 7, prévus adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique comprennent, par exemple, une couche de matière électriquement conductrice, notamment en cuivre et/ou en nickel, de revêtement desdits éléments thermo électriques 7p, 7n.
Ledit module 2 comprend avantageusement des surfaces d'échange secondaire, en particulier des ailettes 12, avec le second fluide. On augmente de la sorte la surface d'échange entre les éléments thermo électriques 7 et ledit second fluide. Lesdites ailettes 12 sont disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo électriques 7. Elles sont ici positionnées parallèlement les unes aux autres avec un écartement permettant un bon échange de chaleur avec le second fluide tout en limitant les pertes de charges. Lesdites ailettes 12 pourront être décentrées par rapport auxdits éléments thermo électriques 7p, 7n, notamment allongées du côté de l'arrivée du second fluide. Lesdites ailettes 12 pourront comprendre un revêtement catalytique pour assurer une conversion catalytique de composants toxiques du second fluide. Dans le cas de gaz d'échappement, ledit module 2 pourra de la sorte équiper un pot catalytique en complément ou substitution des composants servant classiquement à la catalyse dans de tels équipements.
Lesdites ailettes 12 sont fixées, par exemple, sur lesdits premiers moyens de connexion électrique, notamment par sertissage et/ou brasage. Le module pourra 2 en outre comprendre des seconds moyens de connexion électrique établissant une connexion électrique entre les surfaces de périphérie intérieur de deux desdits éléments thermo électrique 7, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique.
Autrement dit, lesdits premiers et seconds moyens de connexion électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 7 de façon à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique 8 du module 2.
Comme déjà évoqué, en référence à la figure 2, l'enveloppe 8 est d'au moins deux parties assemblées 8a, 8b, et comporte au moins une première fente dite d'admission 9 du second fluide et une seconde fente dite d'échappement 10 dudit second fluide.
Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, ladite enveloppe 8 est constituée de deux parties 8a, 8b correspondant respectivement à une fraction de tube de section droite circulaire, chaque fraction de tube étant sensiblement hémi-cylindrique, et fermée à ses extrémités respectivement par une rondelle 13 de forme complémentaire, c'est-à-dire de forme circulaire, comportant au moins deux ergots 14 s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite rondelle 13 de manière à former au moins deux fentes 9 et 10 entre lesdites fractions de tubes 8a,8b.
Comme déjà évoqué, en référence aux figures 1, 3, 5 et 7, le dispositif thermo électrique 1 comprend une pluralité de modules 2, tels que décrits plus hauts, positionnées circulairement et s'étendant parallèlement à l'intérieur d'un carter 3 de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par un collecteur d'admission 4 d'un premier fluide et un collecteur d'admission 5 d'un second fluide et respectivement par un collecteur d'échappement 6 desdits premier et second fluides.
Ledit collecteur d'admission 4 du premier fluide consiste en une tuyère 15 cylindrique débouchant dans le carter 3 en s'évasant et le collecteur 5 du second fluide est constitué d'un boîtier 16 en forme de couronne cylindrique, comportant deux parois latérales 17,18 qui présentent la forme d'un disque muni d'un trou central circulaire 19, une paroi intérieure cylindrique 20 et une paroi extérieure cylindrique 21, des trous 22 pratiqués sur l'une des parois latérales 18 pour recevoir les tubes centraux 11 des modules thermo électrique 2, lesdits trous 22 étant munis de moyens d'étanchéité constitués par des joints toriques 23. Par ailleurs, ledit boîtier 16 comporte au moins une cloison interne définissant au moins une chambre dite d'admission et une chambre dite d'échappement, et au moins une tubulure dite d'admission 24 débouchant dans la chambre d'admission et une tubulure dite d'échappement 25 débouchant dans la chambre d'échappement. Les tubulures d'admission 24 et d'échappement 25 s'étendent radialement depuis la paroi périphérique extérieure 21 du boîtier 16.
Le boîtier 16 est solidarisé à l'une des faces latérales du carter 3 par des moyens procurant une isolation thermique dudit boîtier 16. Ces moyens consistent en une entretoise 26 cylindrique prenant appui respectivement sur la paroi latérale du carter 3 et sur la paroi latérale 18 du boîtier 16 dans laquelle sont pratiqués les trous 22 recevant les tubes centraux des modules thermo électriques 2. Le boîtier 16 et l'entretoise 26 sont maintenus en compression sur la face latérale du carter 3 par des vis pointeau 27 s' étendant dans des trous taraudés 28 pratiqués dans un anneau 29 solidaire de la tuyère 15 s'étendant à travers le trou central 19 du boîtier 16, les pointes des vis pointeau 27 prenant appui sur la paroi latérale 17 opposée du boîtier 16. On observera que les vis pointeau 27 procurent des surfaces de contact extrêmement limitées de sorte que la conduction entre les parties métalliques de la tuyère 15 dans laquelle circule les gaz chauds d'échappement et le boîtier 16 formant le circuit de refroidissement est coupée par une résistance de contact élevée. De plus, l'entretoise cylindrique 26 permet de réduire considérablement le transfert thermique entre le carter 3 qui reçoit les gaz chauds d'échappement et le boîtier 16 formant le circuit de refroidissement. Dans cet exemple particulier de réalisation, l'entretoise 26 cylindrique présente un diamètre externe sensiblement égal au diamètre externe du boîtier 16. Cependant, l'entretoise 26 pourra présenter une forme et des dimensions quelconques. Par ailleurs, l'entretoise 26 pourra être substituée par une pluralité d'entretoises sans sortir du cadre de l'invention.
Afin de créer une barrière thermique entre la tuyère 15 et la paroi intérieure 20 du boîtier 16 pour protéger le boîtier 16 contre la température excessive de la tuyère 15 dans laquelle circulent les gaz d'échappement, le dispositif comporte un manchon isolant 30 s'étendant entre la paroi intérieure 20 du boîtier 16 et la tuyère 15. Ce manchon isolant 30 présente une forme cylindrique et est solidaire de l'anneau 29 portant les vis pointeau 28.
En référence aux figures 1, 3, 5, 8 et 9, le collecteur d'échappement 6 consiste en une pièce de forme conique solidaire du carter 3 et en communication avec des gouttières 31 s'étendant entre deux modules 2 d'éléments thermo électriques contigus comportant respectivement une fente d'admission 32 en communication de fluide avec la fente d'échappement 10 d'un module 2. Ledit collecteur d'échappement 6 comporte également une couronne interne 33 comportant des trous 34 recevant les tubes centraux 11 des modules thermo électriques 2 dans lequel circule le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, lesdits trous 34 comportant des moyens d'étanchéité constitués de joints toriques 35. Ladite couronne 33 comporte des parois internes, non représentées sur les figures, pour mettre en communication deux tubes centraux 11 des modules 2. Afin d'améliorer la convection de refroidissement au niveau de la couronne interne 33 et éviter les risques de surchauffe du fluide caloporteur circulant dans ladite couronne interne 33, ce qui pourrait conduire à une détérioration des joints toriques 35, et in fine à l'apparition de fuites, le dispositif comporte avantageusement une enceinte interne 36 de forme conique s'étendant à l'intérieur du collecteur d'échappement 6 en coiffant la couronne interne 33 et des tuyères de circulation d'air dont les extrémités débouchent respectivement dans l'enceinte interne 36 et au niveau de lumières pratiqués dans la paroi du collecteur d'échappement 6 afin de permettre une circulation d'air autour de la couronne interne 36.
Ainsi, en référence aux figures 3 à 5, les gaz chauds d'échappement sont introduits dans le carter 3 via le collecteur d'admission 4, et plus particulièrement la tuyère 15, au centre des modules 2 d'éléments thermo électriques puis ils passent dans les enveloppes 8 desdits modules 2 en passant par les fentes d'admission 9 desdites enveloppes 8. Les gaz d'échappement passent au travers de l'ensemble des ailettes 12 avant de ressortir des enveloppes 8 via les fentes d'échappement 10 et d'être récupérés par les gouttières 31 et d'être évacués par le collecteur d'échappement 6. Dans le même temps, le fluide caloporteur du circuit de refroidissement est introduit dans le collecteur d'admission 4 via les tubulures d'admission 24 du boîtier 16 pour qu'il circule dans les tubes centraux 11 via la couronne interne 33 du collecteur d'échappement 6 avant de s'échapper par les tubulures d'échappement 25 dudit boîtier 16.
Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif thermo électrique comprenant au moins un carter (3) de forme tubulaire dont l'une des extrémités est fermée par un collecteur d'un premier fluide et un collecteur d'un second fluide, et dans lequel s'étend une pluralité de modules (2) d'éléments thermo électrique (7p, 7n) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du carter (3), chaque module étant constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques (7p, 7n) ayant une forme de cylindre ou de prisme droit muni d'un évidement central, parcouru par un tube central (11) dudit module, et étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, le premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, , ledit collecteur d'admission du premier fluide consiste en une tuyère cylindrique (15) débouchant dans le carter (3) et le collecteur du second fluide est constitué d'un boîtier (16) , à travers lequel s'étend la tuyère (15), des moyens procurant une isolation thermique entre le boîtier (15) et le carter (3).
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel lesdits moyens consistent en une entretoise (26) prenant appui respectivement sur une paroi latérale du carter (16) et sur une paroi latérale du boîtier (15) dans laquelle sont pratiqués des trous recevant les tubes centraux (11) des modules thermo électriques.
3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le boîtier (16) et l'entretoise (26) sont maintenus sur le carter par des moyens de compression.
4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel les moyens de compression sont des vis pointeau (27) s'étendant dans des trous taraudés pratiqués dans un anneau (29) solidaire de la tuyère (15) et s'étendant à travers un trou central (19) du boîtier (16), les pointes des vis pointeau (27) prenant appui sur une paroi latérale opposée du boîtier (16).
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DE102011016886A1 (de) * 2011-04-13 2012-10-18 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Vorrichtung mit einem Wärmetauscher für einen thermoelektrischen Generator eines Kraftfahrzeugs
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