WO2017182627A2 - Dispositif thermoélectrique et générateur thermoélectrique comprenant un tel dispositif - Google Patents

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WO2017182627A2
WO2017182627A2 PCT/EP2017/059515 EP2017059515W WO2017182627A2 WO 2017182627 A2 WO2017182627 A2 WO 2017182627A2 EP 2017059515 W EP2017059515 W EP 2017059515W WO 2017182627 A2 WO2017182627 A2 WO 2017182627A2
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fluid
flow
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thermoelectric device
thermoelectric
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Michel Simonin
Kamel Azzouz
Cédric DE VAULX
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Valeo Systemes Thermiques
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • thermoelectric device and thermoelectric generator comprising such a device
  • thermoelectric elements In the automotive field, thermoelectric devices have already been proposed using elements, called thermoelectric elements, making it possible 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 effect. Seebeck. These devices are also called thermoelectric generators.
  • thermoelectric generators it is known to position these thermoelectric generators in a motor vehicle exhaust line, or even in the recirculated exhaust gas circuit for motor vehicles having such a circuit between the exhaust and the intake of the engine.
  • the objective is the use of the exhaust heat of motor vehicles to generate electrical energy.
  • the treatment of the exhaust gas is then necessary, in particular to prevent the release of toxic gases in the open air.
  • This gas treatment is a function distinct from that of the generation of electrical energy by the generators mentioned above.
  • a particle filtration system is added upstream or downstream of a thermoelectric generator so as to control the emission of the exhaust gas at the outlet of the motor vehicle.
  • These particles come from poor combustion and consist for example of soot particles.
  • the filtration system usually consists of a filter that traps large particles.
  • Fine particles as for them are generally not filtered by this type of system.
  • An additional fine particle filtration system may be installed downstream for this purpose.
  • a catalytic system may also be added upstream or downstream of a thermoelectric generator, so as to control the emission of exhaust gas at the outlet of the motor vehicle.
  • This catalytic system generally comprises a catalytic substrate consisting of an extruded bread made of porous material. The pores are loaded with molecules of rare metals (for example Platinum, Rhodium, Palladium) by dipping in a bath comprising this type of rare metals, then by a step of vaporization of the assembly so that the molecules of rare metals remain trapped in the pores of the substrate. These molecules will be used for catalytic reactions, especially in contact with the exhaust gas, said catalytic reactions for the depollution of said exhaust gas.
  • rare metals for example Platinum, Rhodium, Palladium
  • thermoelectric generator It is also known to propose a catalyst system in the thermoelectric generator, but its efficiency is however limited, and it induces a significant loss of load within the generator.
  • thermoelectric generator, filtration systems and catalytic system positioned one after the other are bulky and bulky.
  • the compactness of equipment in the automotive field is now a major objective. It is an object of the present invention to provide a solution for combining several functions, namely the current generator function, and / or the fine particle filtration function, and / or the catalyst function, by means of a single compact equipment.
  • thermoelectric device comprising, in a conventional manner:
  • thermoelectric modules each comprising at least one thermoelectric element capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between two of its faces, said hot active face and cold active face, in contact with each other; a hot spring on the one hand and a cold source on the other,
  • This device is mainly characterized in that it further comprises means for controlling the emission of exhaust gases, comprises means for ionizing the particles of a first fluid F1 corresponding to the hot source and circulating in said body, the latter comprising means for capturing the ionized particles.
  • the device of the invention is a thermoelectric device which allows, on the one hand, the generation of an electric current from a temperature gradient and, on the other hand, the emission control of the exhaust gases. .
  • thermoelectric device of the invention has the advantage of improving the existing thermoelectric devices by proposing to combine, within a single set, two previously separate technical functions.
  • said device further comprises, as means for controlling the emission of exhaust gases, means for ionizing the particles of a first fluid F1 corresponding to the hot source and circulating in said body. , the latter comprising means for capturing the ionized particles.
  • This first embodiment allows, on the one hand, the generation of an electric current from a temperature gradient and, on the other hand, the filtration of fine particles of a fluid participating in this generation of current. Indeed, it is intended to capture the fine particles within the same thermoelectric device, in particular by ionization.
  • said means for capturing the ionized particles capture the particles ionized by electrostatic effect.
  • said body is composed of a plurality of metal plates each having a plurality of housings intended to receive said modules, said plates being thermally conductive for conducting the heat coming from the first fluid F1 towards the hot active face of the thermoelectric elements of the modules.
  • said plates are grounded and constitute said means for capturing the ionized particles.
  • said particle ionization means consist of at least one electrode fed by the thermoelectric modules, disposed in the flow of flow of the first fluid upstream of said body and generating an electric field capable of ionizing the particles of the first fluid.
  • said particle ionization means consist of two electrodes interconnected by an electric conductor of single gate or wire type, arranged in the flow of the first fluid and propagating the electric field of the electrodes to the center of the flow of the first fluid,
  • thermoelectric device comprises an electric battery:
  • thermoelectric device comprises a first converter disposed between the modules and said battery and providing a battery terminal voltage preferably between 0 and 48V.
  • thermoelectric device comprises a second converter disposed between the battery and the electrodes and providing a high voltage across the electrodes preferably between 3kV and 15kV, this voltage creating said electric field.
  • the plates are flat.
  • said plates are arranged parallel to the flow flow of the first fluid F1.
  • the flow flow of the first fluid F1 comprises a main flow F1 p oriented along a central axis X of the thermoelectric device, and a secondary flow Fi s oriented perpendicularly to the main flow F1 p.
  • the plates capture the ionized particles of the first fluid F1 in two perpendicular directions, corresponding to the direction of the main flow of the first fluid F1 p and to the direction of the secondary flow of the first fluid F1 s.
  • said plates are arranged parallel to each other so as to match the housing from one plate to the other.
  • the space between two adjacent plates is constant throughout the device.
  • said plates are coated with a catalytic coating so as to ensure a catalytic conversion of toxic components of the first fluid F1.
  • the plates catalyze the first fluid in two perpendicular directions, corresponding to the direction of the main flow of the first fluid and the direction of the secondary flow of the first fluid.
  • each module is oriented perpendicular to the plates and passes through all the plates by integrating into said successive housings
  • the device comprises two rows of modules located vis-à-vis one another, each row of modules extends in a direction parallel to the flow of the first fluid flow.
  • the first fluid comprises a main flow flowing between the two rows of modules along the plates.
  • the first fluid comprises a secondary flow flowing between the modules of the same row along the plates, said secondary flow being orthogonal to the main flow.
  • thermoelectric device comprises a body in the form of a plurality of plates each having a plurality of housings intended to receive said modules, said plates having a function, as means for controlling the emission of gases.
  • catalytic substrate providing a catalytic conversion of toxic components of a first fluid flowing between the plates, said plates being arranged parallel to the flow flow of the first fluid
  • said device further comprising two rows of modules located in to each other, each row of modules extending in a direction parallel to the flow of flow of the first fluid, said first fluid having a main flow flowing in a central portion of the plates delimited on each side and other by the two rows of modules.
  • the device of the invention is a thermoelectric device which allows, on the one hand, the generation of an electric current from a temperature gradient and, on the other hand, the treatment of toxic components of a participating fluid. at this generation of current. Indeed, it is intended to carry out the catalytic conversion of these toxic components within said thermoelectric device, in particular with the aid of said catalytic substrate.
  • This embodiment allows, on the one hand, the generation of an electric current from a temperature gradient and, on the other hand, the treatment of toxic components of a fluid participating in this current generation. Indeed, it is intended to carry out the catalytic conversion of these toxic components within said thermoelectric device, in particular with the aid of said catalytic substrate.
  • the specific alignment of the modules in rows makes it possible to define an empty central space of modules within the generator, and by which the main flow can flow and therefore be processed simultaneously via the catalysis function. This central space makes it possible to minimize the losses of charges on the first fluid flowing in the generator. In addition, this central space offers a consistent plate surface, and therefore satisfactory for effecting catalysis effectively.
  • said first fluid corresponds to the hot source.
  • said plates are arranged parallel to each other so as to match the housings from one plate to the other.
  • the space between two adjacent plates is constant throughout the device.
  • said plates are coated with a catalytic coating.
  • the flow flow of the first fluid comprises a main flow oriented along a central axis of the thermoelectric device, and a secondary flow oriented perpendicularly to the main flow.
  • the plates catalyze the first fluid in two perpendicular directions corresponding to the direction of the main flow of the first fluid and to the direction of the secondary flow of the first fluid.
  • Each module is oriented perpendicular to the plates and passes through all the plates by integrating into said successive housing.
  • the first fluid comprises a main flow flowing between the two rows of modules along the plates.
  • the first fluid comprises a secondary flow flowing between the modules of the same row along the plates, said secondary flow being orthogonal to the main flow.
  • said plates are thermally conductive for conducting the heat coming from the first fluid towards the hot active face of the thermoelectric elements of the modules.
  • said plates are metallic.
  • a second fluid circulates within each module, and corresponds to said cold source, the flow flow of the second fluid being perpendicular to the flow of flow of the first fluid.
  • the invention also relates, advantageously, to a thermoelectric generator comprising a thermoelectric device such as that described above.
  • said particle ionization means consist of two electrodes arranged facing each other at the internal walls of an inlet duct of the first circulation fluid;
  • thermoelectric generator of the invention further comprises a flow control device
  • said flow control device is positioned, in the flow direction of the first fluid, downstream of the plates,
  • said flow control device comprises a valve, said valve comprising a valve body and a valve, said valve being articulated with respect to the valve body and being able to occupy an open position and a closed position, said valve being configured to being positioned inside said generator so as to modulate the quantity of the first fluid flowing through it,
  • thermoelectric generator comprises a central duct, the valve body of said control device being situated inside this central duct,
  • thermoelectric device the two rows of modules of the thermoelectric device define this central duct
  • the first fluid comprises a main flow flowing in the central duct of the thermoelectric generator, that is to say between the two rows of modules along the plates,
  • the first fluid comprises a secondary flow flowing out of the central duct of the thermoelectric generator, that is to say between the modules of the same row along the plates,
  • thermoelectric generator of the invention is configured so that, when the valve is in the closed position, the first fluid flows out of the central conduit and, when the valve is in the open position, said first fluid flows through the conduit; central,
  • thermoelectric generator of the invention is intended to be coated with a protective outer casing, said housing, so as to be positioned in a motor vehicle exhaust line so that the exhaust gas flowing in said line define said first fluid and / or in a motor vehicle recirculated exhaust gas circuit such that said recirculated exhaust gas flowing in said circuit defines said first fluid.
  • FIG. 1 illustrates a thermoelectric module used in the invention
  • FIG. 2 diagrammatically shows in perspective an exemplary embodiment of a thermoelectric device according to the invention
  • FIG. 3 shows in perspective and schematically a thermoelectric module as used in Figure 2;
  • Figure 4 shows in front view a plate as used in Figure 2;
  • thermoelectric generator schematically illustrates an embodiment of a thermoelectric generator according to the invention, for longitudinal sectional view
  • FIG. 6 represents an example of circulation of the exhaust gases within the generator according to FIG. 5;
  • FIG. 7 represents an example of an electrical circuit for the capture of fine particles within the generator according to FIGS. 5 and 6;
  • Figure 8 shows the circuit the electrical connections between the various components of the electrical circuit according to Figure 7.
  • thermoelectric device 40 comprising a plurality of thermoelectric modules 10 in which circulates a cold fluid F2 and plates 20 around which circulates a hot fluid F1.
  • the module 10 comprises at least one thermoelectric element 1 1 capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between two of its faces 12, 13, in contact with a hot fluid F1 (that is, that is to say, from a hot source) on the one hand, and a cold fluid F2 (that is to say from a cold source) on the other hand.
  • a hot fluid F1 that is, that is to say, from a hot source
  • a cold fluid F2 that is to say from a cold source
  • each thermoelectric module 10 comprises a plurality of thermoelectric elements 1 1, here ring-shaped, assembled coaxially with each other so as to form what is commonly called a thermoelectric pencil.
  • Said thermoelectric elements 1 1 and, subsequently, the thermoelectric modules 20, are capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient exerted between on the one hand, a first face 12 defined by a peripheral surface outer cylindrical, and secondly a second face 13 defined by a cylindrical inner periphery surface.
  • thermoelectric module 10 circulates a hot fluid F1 which acts as a hot source in contact with the first active face 12 of the thermoelectric elements 11, and each thermoelectric module 10 comprises at its center a tube 14 in which a fluid circulates.
  • cold F2 (coolant type) F2 which acts as a cold source, these tubes 14 then being in contact with the second active face 13 of the thermoelectric elements 1 1.
  • Said first and second faces 12, 13 are, for example, of oval section for the first and / or circular for the second. More generally, any section of rounded and / or polygonal shape is possible.
  • Such elements 1 1 operate, according to the Seebeck effect, by allowing to create an electric current in a load connected between said faces 12,13 subjected to the temperature gradient.
  • Such elements January 1 consist, for example, of Bismuth and Tellurium (Bi2Te3).
  • thermoelectric elements 1 1 may be, for a first part, elements of a first type, said P, for establishing an electrical potential difference in a direction, said positive, when subjected to a temperature gradient given, and, for the other part, elements of a second type, said N, allowing the creation of an electrical potential difference in an opposite direction, said negative, when they are subjected to the same temperature gradient.
  • thermoelectric elements 1 1 consist of a ring in one piece. They may however be formed of several pieces each forming an angular portion of the ring.
  • the first surface 12 has, for example, a radius between 1, 5 and 4 times the radius of the second surface 13. It may be a radius equal to about twice that of the second surface 13.
  • thermoelectric element 1 1 has, for example, two opposite parallel plane lateral faces.
  • FIG. 3 very schematically represents such a thermoelectric module 10, according to FIG.
  • these modules 10 are held by plates 20. These are flat plates of rectangular or square shape, as illustrated in FIG. 4.
  • Each plate 20 has a plurality of housings 21, corresponding to circular orifices. , whose diameter is very slightly greater than the diameter of the module 10 in order to be able to insert it into the housing 21 perpendicularly to the plate 20.
  • the housings 21 are distributed here in two rows facing each other: an upper row R1 located in the upper part of the plate 20 and a lower row R2 located in the lower part of the plate 20.
  • the central portion 22 of the plate 20 is solid and has no housing.
  • the housings 21 are regularly spaced from each other. The distance between two adjacent housings 21 is always the same along the row, and from one row to another as well.
  • thermoelectric device 40 All the plates 20 are identical within the same thermoelectric device 40. The assembly of all the plates 20 thus forms a body within the thermoelectric device.
  • thermoelectric device 40 the plates 20 are arranged parallel to each other, with a constant space between the adjacent plates 20.
  • the plates 20 are aligned so that the housings 21 are aligned, that is to say is found in the extension of each other so that the modules 10 can be introduced into the housing 21 successive.
  • Each module 10 passes through all the plates 20 of the thermoelectric device 40 and is oriented orthogonally to the plates 20.
  • FIG. 5 schematically illustrates a thermoelectric generator 30 according to the invention, in particular when it is positioned in a motor vehicle exhaust line and / or in a recirculated exhaust gas circuit of a motor vehicle.
  • the exhaust gases of said motor vehicle are used, here, as hot fluid F1 to generate a temperature gradient with the cold fluid F2.
  • This generator 30 comprises a thermoelectric device 40 as described above.
  • the plates 20 are oriented parallel to the flow of the exhaust gas F1. These gases enter through an inlet duct 34 of the generator, circulate between the plates 20, and exit through an outlet duct 37 of the generator.
  • the generator 30 has a central axis X for the circulation of the exhaust gases F1, the inlet duct and the outlet duct being coaxial and centered on this axis X.
  • the modules 10, and therefore a fortiori the cold fluid F2 flowing in the modules 10, are oriented perpendicular to the flow of the exhaust gas F1. There is therefore a cross-flow arrangement (in English) between the fluids F1 and F2 within the generator 30.
  • the rows R1 and R2 of modules 10 extend in turn in a direction parallel to the flow of the first fluid F1. These two rows R1 and R2 define a central flow duct 38 of the first fluid F1 in the generator 30.
  • the generator 30 comprises metal conductors 53, namely electrodes 53, and in particular two electrodes 53a, 53b disposed facing the internal walls of the inlet duct 34, and connected to each other. between them by an electrical conductor of the type grid or single wire.
  • the electrodes 53a, 53b are diametrically opposed.
  • the flow flow of the cold fluid F1 passes integrally between these two electrodes 53a, 53b, that is to say through the grid or the single wire.
  • the cold fluid F1 thus passes through this electric field, and the fine particles it contains, resulting from poor combustion, are ionized by this electric field.
  • the electrodes 53 electrically charge the particles.
  • the particles subsequently entering the body of the thermoelectric device 40 are no longer electrically neutral, but are charged either positively (cations) or negatively (anions).
  • ionized particles thus enter the body, and are attracted to the metal plates due to an electrostatic effect.
  • the plates 20 are connected to the mass 54, in particular to the electrical mass of the vehicle.
  • the ionized particles then stick to the metal plates, and agglomerate together to form large particles.
  • the plates 20 thus function as a particle trap by agglomeration of small particles into large particles. It therefore acts as an electrostatic agglomerator.
  • the particles When the particles are sufficiently large and heavy, they are detached from the plates 20 and are taken to the outlet duct 37 via the flow of fluid flow hot F1.
  • a standard particle filter is then positioned downstream of the generator 30 to capture these large particles.
  • thermoelectric generator 30 it is therefore possible to filter both fine particles and large particles, without adding a fine particle filtration system in addition to the thermoelectric generator 30.
  • the distance between the plates 20 must be neither too small nor too large, in order to:
  • thermoelectric device 40 an electrical circuit as shown in dashed lines in FIG. 7 is installed in the thermoelectric device 40.
  • the thermoelectric modules 10 produce electricity via the thermoelectric elements 11 as previously explained.
  • These modules 10 are interconnected via the power lines 55, 56 and are connected to a DC / AC or DC / DC converter 52, transforming the direct current generated by the thermoelectric modules 10 into alternating current or high-voltage DC, in order to supplying the two high voltage electrodes 53a, 53b enabling the ionization of the fine particles.
  • a battery 51 is added to the electric circuit, as illustrated in FIG.
  • a first DC / DC low voltage converter 50 powered by the thermoelectric modules 10, provides a voltage across the battery 51 between 0 and 48V.
  • This battery 51 is connected to the terminals of the high-voltage electrodes 53 via a second high-voltage converter 52 DC / DC or DC / AC.
  • the battery 51 ensures the permanent supply of the first electrode 53a, as well as that of the second electrode 53b connected for example in series with the first electrode 53a, including in the engine start phase.
  • thermoelectric modules 10 are advantageously used to supply the electrodes 53 for particle filtration, in particular via a battery 51 operating even during the engine start phase.
  • the metal plates of the thermoelectric device advantageously comprise a catalytic coating so as to carry out a catalytic conversion of toxic components of the hot fluid F1, and therefore of the exhaust gases.
  • This coating comprises rare metal molecules, for example Platinum, Rhodium and Palladium molecules. These molecules will be used for the catalytic reactions, in particular in contact with the exhaust gas constituting the hot source F1, said catalytic reactions for the depollution of said F1 exhaust gas.
  • the plates 20 provide a plurality of functions:
  • thermoelectric elements 11 they provide thermal conduction towards the first active faces 12 of the thermoelectric elements 11;
  • thermoelectric generator of the invention 30 may further comprise a flow control device 32 clearly visible in Figure 5 for example.
  • This flow control device 32 is positioned - in the direction of circulation of the hot fluid F1 along the central axis X - downstream of the plates 20.
  • Said flow control device 32 has the function of modulating the flow rate of said exhaust gases F1, through said generator 30.
  • its function consists in directing the flow of the hot fluid F1 as close as possible to the thermoelectric elements 1 1, especially in case of low flow in order to optimize the electricity production.
  • the flow control device 32 consists, advantageously, of a valve 32.
  • Said valve 32 comprises a valve body 33 and a valve 39.
  • the valve body 33 comprises a central orifice, open or otherwise, depending of the position of the valve 39. Indeed, the valve 39 is articulated with respect to the valve body 33.
  • the valve 32 is therefore able to occupy an open position, a closed position, or an intermediate position (see Figures 5 and 6) .
  • the valve 32 may comprise for this purpose actuating means of the valve 39, not shown, for example integrated in the generator 30. They are advantageously configured to allow said valve 39 to occupy any angular position.
  • valve body 33 is located in the central flow duct 38 of the generator, in the extension of the thermoelectric device 40, and centered on the X axis .
  • the valve 32 When the valve 32 is open, the main flow F1 p of the gases flows through the central flow conduit 38 and only a small fraction of said gases, called secondary flow Fi s passes between the modules 10. This case appears in particular when starting the engine (engine not shown).
  • the temperature of the gases is then, for example, less than 400 ° C for a cooling fluid whose temperature is, for example, less than 100 ° C.
  • the fraction of the gas flowing through the generator 30 promotes the transfer of the heat of the hot gases F1 into the cold liquid F2 during the engine start phases, which may allow to accelerate its temperature setting.
  • the valve 32 when the valve 32 is in the closed position, the F1 gases are guided to the two rows R1, R2 of thermoelectric modules 10, according to the secondary flow Fi s.
  • a housing 31 is placed around the thermoelectric generator 30 for guiding said gases F1 to the secondary flow Fi s.
  • the F1 gases thus pass between the modules 10 until reaching the inner wall of the housing which then directs them to two secondary conduits 35,36.
  • the F1 gases circulated through the upper row R1 of modules arrive in the upper secondary duct 35, and the F1 gases circulating through the lower row R2 of modules arrive in the lower secondary duct 36.
  • These two secondary ducts 35,36 join the central flow duct 38 downstream of the valve 32, to then open on the outlet duct 37 of the generator 30.
  • thermoelectric generator 30 is configured so that, when the valve 39 occupies the closed position, the first fluid F1 flows mainly between the modules 10 and through the secondary conduits 35, 36, and when the valve 54 is in the open position, said first fluid F1 flows mainly through the central flow duct 38 of the generator 30, although a portion of said fluid F1 can circulate in the secondary ducts 35,36.
  • the first fluid F1 passes between the plates 20 along their entire length, and is in contact with the central portion 22 of the plates 20 and / or with the plate portions 23 connecting the housing (see Figure 4 ).
  • the plates 20 capture the ionized particles of the first fluid F1 in two perpendicular directions, that is to say, in the direction of the main flow of the first fluid F1 p along the X axis, as well as in the direction of the secondary flow of the first fluid F1 s orthogonal to the X axis.
  • the plates function as a catalytic substrate in two perpendicular directions, that is to say both in the direction of the main flow of the first fluid F1 p along the X axis, that in the direction of the secondary flow of the first fluid Fi s orthogonal to the X axis.
  • the housing 31 serves as a protective outer casing, in particular so as to allow the positioning of said generator 30 in an exhaust line of a motor vehicle and / or in a recirculated exhaust gas system of a motor vehicle.
  • thermoelectric generator 30 of the invention comprising said thermoelectric device 40 and said flow control device 32, acts as a thermoelectric energy generator and as a controller for the emission of toxic gases and particles.
  • the operation of the flow control device 32 will be in relation to the flow rate of the exhaust gas F1 measured, for example at the input of the thermoelectric generator 30:
  • valve 32 when the flow rate is less than 20% of the maximum measurable flow rate, the valve 32 is closed and the exhaust gases F1 pass exclusively through the secondary conduits 35,36; the flow of gases is therefore carried out mainly perpendicular to the central axis X of the generator 30;
  • valve 32 when the flow rate is greater than 20% of the maximum measurable flow rate while remaining less than 100% of this maximum measurable flow rate, the valve 32 is partially open to avoid a rise in the resulting pressure in the secondary conduits 35,36; the gas flow is mixed and is carried out both along the central axis X (in the main duct) and perpendicularly to the central axis X (in the secondary ducts);
  • valve 32 when the flow is equal to 100% of this maximum measurable flow rate, the valve 32 is open and the resulting pressure is the same at the level of the secondary ducts

Abstract

L'invention concerne un dispositif thermoélectrique 40 comprenant : - une pluralité de modules 10 thermoélectriques, lesdits modules comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique 11 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces 12,13, dites face active chaude 12 et face active froide 13, au contact d'une source chaude d'une part et d'une source froide d'autre part, - au moins un corps présentant une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10, Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement.

Description

Dispositif thermoélectrique et générateur thermoélectrique comprenant un tel dispositif
Domaine de l'invention
Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des dispositifs thermoélectriques utilisant des éléments, dits thermoélectriques, 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 sont aussi appelés générateurs thermoélectriques.
Il est connu de positionner ces générateurs thermoélectriques dans une ligne d'échappement de véhicule automobile, voire dans le circuit de gaz d'échappement recirculés pour les véhicules automobiles présentant un tel circuit entre l'échappement et l'admission du moteur thermique. L'objectif est l'utilisation de la chaleur des gaz d'échappement des véhicules automobile pour générer de l'énergie électrique.
Le traitement des gaz d'échappement est ensuite nécessaire, notamment pour éviter que ne soient largués des gaz toxiques à l'air libre. Ce traitement des gaz est une fonction distincte de celle de la génération d'énergie électrique par les générateurs évoqués ci- dessus.
Etat de la technique
De manière générale, un système de filtration de particules est ajouté en amont ou en aval d'un générateur thermoélectrique de manière à contrôler l'émission des gaz d'échappement en sortie du véhicule automobile. Ces particules proviennent d'une mauvaise combustion et consistent par exemple en des particules de suie. Le système de filtration se compose généralement d'un filtre piégeant les grosses particules.
Les particules fines quant à elles ne sont généralement pas filtrées par ce type de système. Un système supplémentaire de filtration de particules fines peut être installé en aval à cet effet. Un système catalytique peut également être ajouté en amont ou en aval d'un générateur thermoélectrique, de manière à contrôler l'émission des gaz d'échappement en sortie du véhicule automobile. Ce système catalytique comporte généralement un substrat catalytique consistant en un pain extrudé en matière poreuse. Les pores sont chargés en molécules de métaux rares (par exemple Platine, Rhodium, Palladium) par une plongée dans un bain comprenant ce type de métaux rares, puis par une étape de vaporisation de l'ensemble afin que les molécules de métaux rares restent piégées dans les pores du substrat. Ces molécules serviront pour les réactions catalytiques, notamment au contact des gaz d'échappement, lesdites réactions catalytiques permettant la dépollution desdits gaz d'échappement.
Il est également connu de proposer un système de catalyse dans le générateur thermoélectrique, mais son efficacité est cependant limitée, et il induit une perte de charge non négligeable au sein du générateur.
Tous ces ensembles (générateur thermoélectrique, systèmes de filtration et système catalytique) positionnés les uns à la suite des autres sont volumineux et encombrants. Or la compacité des équipements dans le domaine automobile constitue désormais un objectif majeur. Un des buts de la présente invention consiste à proposer une solution permettant de combiner plusieurs fonctions, à savoir la fonction de générateur de courant, et/ou la fonction de filtration de particules fines, et/ou la fonction de catalyseur, au moyen d'un seul équipement compact.
Résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de pallier différents inconvénients énoncés ci- dessus, au moyen d'un dispositif thermoélectrique comprenant, de façon classique :
- une pluralité de modules thermoélectriques, lesdits modules comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites face active chaude et face active froide, au contact d'une source chaude d'une part et d'une source froide d'autre part,
- au moins un corps présentant une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules. Ce dispositif se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, comprend des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.
Le dispositif de l'invention est un dispositif thermoélectrique qui permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le contrôle d'émission des gaz d'échappement.
Ainsi, le dispositif thermoélectrique de l'invention présente l'avantage d'améliorer les dispositifs thermoélectriques existant en proposant de combiner, au sein d'un même ensemble, deux fonctions techniques jusqu'alors distinctes.
Selon une première réalisation possible, ledit dispositif comprend en outre, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.
Ce premier mode de réalisation permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, la filtration de particules fines d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de capter les particules fines au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment par ionisation.
Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :
- lesdits moyens de captation des particules ionisées captent les particules ionisées par effet électrostatique.
- ledit corps se compose d'une pluralité de plaques métalliques présentant chacune une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules, lesdites plaques étant thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude des éléments thermoélectriques des modules.
- lesdites plaques sont mises à la masse et constituent lesdits moyens de captation des particules ionisées.
- lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en au moins une électrode alimentée par les modules thermoélectriques, disposée dans le flux de circulation du premier fluide en amont dudit corps et générant un champ électrique apte à ioniser les particules du premier fluide. lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes reliées entre elles par un conducteur électrique de type grille ou fil unique, disposé dans le flux de circulation du premier fluide et propageant le champ électrique des électrodes jusqu'au centre du flux de circulation du premier fluide,
le dispositif thermoélectrique comporte une batterie électrique :
• alimentée par le courant électrique généré par lesdits modules,
• et alimentant les électrodes.
le dispositif thermoélectrique comporte un premier convertisseur disposé entre les modules et ladite batterie et assurant une tension aux bornes de batterie comprise de préférence entre 0 et 48V.
le dispositif thermoélectrique comporte un second convertisseur disposé entre la batterie et les électrodes et assurant une tension élevée aux bornes des électrodes comprise de préférence entre 3kV et 15kV, cette tension créant ledit champ électrique.
les plaques sont planes.
lesdites plaques sont disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 .
le flux de circulation du premier fluide F1 comporte un flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux 5 principal F1 p.
les plaques captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.
toutes les plaques sont identiques.
lesdites plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements d'une plaque à l'autre.
l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.
lesdites plaques sont enduites d'un revêtement catalytique de manière à assurer une conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide F1 .
les plaques opèrent une catalyse du premier fluide dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide et à la direction du flux secondaire du premier fluide.
chaque module est orienté perpendiculairement aux plaques et traverse la totalité des plaques en s'intégrant dans lesdits logements successifs,
le dispositif comporte deux rangées de modules situées en vis-à-vis l'une de l'autre, chaque rangée de modules s'étend dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide. - le premier fluide comporte un flux principal circulant entre les deux rangées de modules en longeant les plaques.
le premier fluide comporte un flux secondaire circulant entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques, ledit flux secondaire étant orthogonal au flux principal.
- un second fluide circule au sein de chaque module, et correspond à ladite source froide, le flux de circulation du second fluide étant perpendiculaire au flux de circulation du premier fluide. Selon une deuxième réalisation possible, le dispositif thermoélectrique comporte un corps sous la forme d'une pluralité de plaques présentant chacune une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules, lesdites plaques ayant une fonction, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, de substrat catalytique assurant une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide circulant entre les plaques, lesdites plaques étant disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide, ledit dispositif comportant en outre deux rangées de modules situées en vis-à- vis l'une de l'autre, chaque rangée de modules s'étendant dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide, ledit premier fluide comportant un flux principal circulant dans une partie centrale des plaques délimitée de part et d'autre par les deux rangées de modules.
Le dispositif de l'invention est un dispositif thermoélectrique qui permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le traitement de composants toxiques d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de réaliser la conversion catalytique de ces composants toxiques au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment à l'aide dudit substrat catalytique.
Ce mode de réalisation permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le traitement de composants toxiques d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de réaliser la conversion catalytique de ces composants toxiques au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment à l'aide dudit substrat catalytique. De plus, l'alignement spécifique des modules en rangées, permet de définir un espace central vide de modules au sein du générateur, et par lequel le flux principal peut circuler et donc être traité simultanément via la fonction catalyse. Cet espace central permet de minimiser les pertes de charges sur le premier fluide circulant dans le générateur. De plus, cet espace central offre une surface de plaque conséquente, et donc satisfaisante pour opérer une catalyse de façon efficace.
Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :
- ledit premier fluide correspond à la source chaude.
- toutes les plaques sont identiques.
- lesdites plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements d'une plaque à l'autre.
- l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.
- lesdites plaques sont enduites d'un revêtement catalytique.
le flux de circulation du premier fluide comporte un flux principal orienté selon un axe central du dispositif thermoélectrique, et un flux secondaire orienté perpendiculairement au flux principal.
- les plaques opèrent une catalyse du premier fluide dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide et à la direction du flux secondaire du premier fluide.
- chaque module est orienté perpendiculairement aux plaques et traverse la totalité des plaques en s'intégrant dans lesdits logements successifs.
- le premier fluide comporte un flux principal circulant entre les deux rangées de modules en longeant les plaques.
le premier fluide comporte un flux secondaire circulant entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques, ledit flux secondaire étant orthogonal au flux principal.
- lesdites plaques sont thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide vers la face active chaude des éléments thermoélectriques des modules.
- lesdites plaques sont métalliques.
- un second fluide circule au sein de chaque module, et correspond à ladite source froide, le flux de circulation du second fluide étant perpendiculaire au flux de circulation du premier fluide.
L'invention concerne aussi, avantageusement, un générateur thermoélectrique comprenant un dispositif thermoélectrique tel que celui décrit ci-dessus.
Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes disposées en vis-à-vis au niveau des parois internes d'un conduit d'entrée du premier fluide de circulation ;
- le générateur thermoélectrique de l'invention comprend, en outre, un dispositif de contrôle de débit,
- ledit dispositif de contrôle de débit est positionné, dans le sens de circulation du premier fluide, en aval des plaques,
- ledit dispositif de contrôle de débit comprend une vanne, ladite vanne comprenant un corps de vanne et un clapet, ledit clapet étant articulé par rapport au corps de vanne et étant apte à occuper une position ouverte et une position fermée, ladite vanne étant configurée pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers lui,
- le générateur thermoélectrique comporte un conduit central, le corps de vanne dudit dispositif de contrôle se situant à l'intérieur de ce conduit central,
- les deux rangées de modules du dispositif thermoélectrique délimitent ce conduit central,
- le premier fluide comporte un flux principal circulant dans le conduit central du générateur thermoélectrique, c'est-à-dire entre les deux rangées de modules en longeant les plaques,
- le premier fluide comporte un flux secondaire circulant hors du conduit central du générateur thermoélectrique, c'est-à-dire entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques,
- le générateur thermoélectrique de l'invention est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet occupe la position fermée, le premier fluide circule hors du conduit central et, lorsque le clapet est en position ouverte, ledit premier fluide circule à travers le conduit central,
- le générateur thermoélectrique de l'invention est destiné à être revêtu d'une enveloppe externe protectrice, dit boîtier, de manière à être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide.
Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
la figure 1 illustre un module thermoélectrique utilisé dans l'invention ;
- la figure 2 montre schématiquement en perspective un exemple de réalisation d'un dispositif thermoélectrique selon l'invention ;
- la figure 3 montre en perspective et de façon schématique un module thermoélectrique tel qu'utilisé en figure 2 ;
- la figure 4 montre en vue de face une plaque telle qu'utilisée en figure 2 ;
- la figure 5 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un générateur thermoélectrique selon l'invention, en vue de coupe longitudinale ;
- la figure 6 représente un exemple de circulation des gaz d'échappement au sein du générateur selon la figure 5 ;
- la figure 7 représente un exemple de circuit électrique pour le captage de particules fines au sein du générateur selon les figures 5 et 6 ;
- la figure 8 montre le circuit les connexions électriques entre les différents composants du circuit électrique selon la figure 7.
Description détaillée
Comme illustré sur la figure 2, l'invention concerne un dispositif thermoélectrique 40 comprenant une pluralité de modules thermoélectriques 10 dans lesquels circule un fluide froid F2 et de plaques 20 autour desquelles circule un fluide chaud F1 .
La figure 1 représente l'un de ces modules 10 plus en détail. Le module 10 comprend au moins un élément thermoélectrique 1 1 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces 12, 13, au contact d'un fluide chaud F1 (c'est-à-dire d'une source chaude) d'une part, et d'un fluide froid F2 (c'est-à- dire d'une source froide) d'autre part.
Plus précisément, chaque module thermoélectrique 10 comprend une pluralité d'éléments thermoélectriques 1 1 , ici de forme annulaire, assemblés coaxialement entre eux de manière à former ce qu'on appelle couramment un crayon thermoélectrique. Lesdits éléments thermoélectriques 1 1 et, par la suite, les modules thermoélectriques 20, sont susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre d'une part, une première face 12 définie par une surface de périphérie extérieure cylindrique, et d'autre part une deuxième face 13 définie par une surface de périphérie intérieure cylindrique.
C'est pourquoi tout autour des modules 10 circule un fluide chaud F1 qui agit comme source chaude au contact de la première face active 12 des éléments thermoélectriques 1 1 , et chaque module thermoélectrique 10 comporte en son centre un tube 14 dans lequel circule un fluide froid F2 (du type liquide de refroidissement) F2 qui agit comme source froide, ces tubes 14 se trouvant alors au contact de la deuxième face active 13 des éléments thermoélectriques 1 1 .
Lesdites première et seconde faces 12,13 sont, par exemple, de section ovales pour les premières et/ou circulaires pour les secondes. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible.
De tels éléments 1 1 fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces 12,13 soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments 1 1 sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).
Les éléments thermoélectriques 1 1 pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température.
Les éléments thermoélectriques 1 1 sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau.
La première surface 12 présente, par exemple, un rayon compris entre 1 ,5 et 4 fois le rayon de la seconde surface 13. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ deux fois celui de seconde surface 13.
Ledit élément thermoélectrique 1 1 présente, par exemple, deux faces latérales planes parallèles opposées. La figure 3 représente de façon très schématique un tel module 10 thermoélectrique, conforme à la figure 1 . Dans le dispositif thermoélectrique, ces modules 10 sont maintenus par des plaques 20. Il s'agit de plaques planes d'allure rectangulaire ou carrée, comme illustré en figure 4. Chaque plaque 20 comporte une pluralité de logements 21 , correspondant à des orifices circulaires, dont le diamètre est très légèrement supérieur au diamètre du module 10 afin de pouvoir l'insérer dans le logement 21 de façon perpendiculaire à la plaque 20.
Les logements 21 sont répartis ici en deux rangées situées en vis-à-vis l'une de l'autre : une rangée supérieure R1 située en partie supérieure de la plaque 20 et une rangée inférieure R2 située en partie inférieure de la plaque 20. La partie centrale 22 de la plaque 20 est pleine et ne comporte aucun logement.
Les logements 21 sont régulièrement espacés les uns des autres. La distance entre deux logements 21 adjacents est toujours la même le long de la rangée, et d'une rangée à l'autre également.
Toutes les plaques 20 sont identiques au sein d'un même dispositif thermoélectrique 40. L'assemblage de toutes les plaques 20 forme ainsi un corps au sein du dispositif thermoélectrique.
Dans le dispositif thermoélectrique 40, les plaques 20 sont disposées parallèlement les unes aux autres, avec un espace constant entre les plaques 20 adjacentes. Les plaques 20 sont alignées de manière à ce que les logements 21 soient alignés, c'est-à-dire se retrouve dans le prolongement les uns des autres afin que les modules 10 puissent être introduits dans les logements 21 successifs. Chaque module 10 traverse la totalité des plaques 20 du dispositif thermoélectrique 40 et est orienté orthogonalement aux plaques 20.
Le fluide chaud F1 passe au travers de ces plaques. Ces dernières sont constituées d'un matériau métallique afin de pouvoir conduire au mieux la chaleur provenant du fluide chaud F1 vers la première surface active 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10. Ces plaques constituent ainsi des surfaces d'échange, à la manière d'ailettes traditionnelles. La figure 5 illustre schématiquement, un générateur thermoélectrique 30 selon l'invention, en particulier lorsqu'il est positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile. Les gaz d'échappement dudit véhicule automobile sont utilisés, ici, comme fluide chaud F1 afin de générer un gradient de température avec le fluide froid F2.
Ce générateur 30 comporte un dispositif thermoélectrique 40 tel que décrit précédemment. Les plaques 20 sont orientées parallèlement au flux des gaz d'échappement F1 . Ces gaz entrent par un conduit d'entrée 34 du générateur, circulent entre les plaques 20, et ressortent par un conduit de sortie 37 du générateur. Le générateur 30 présente un axe central X de circulation des gaz d'échappement F1 , le conduit d'entrée et le conduit de sortie étant coaxiaux et centrés sur cet axe X.
Les modules 10, et donc a fortiori le fluide froid F2 circulant dans les modules 10, sont orientés perpendiculairement au flux des gaz d'échappement F1 . On assiste donc à un agencement en flux croisés (« cross flow » en anglais) entre les fluides F1 et F2 au sein du générateur 30.
Les rangées R1 et R2 de modules 10 s'étendent quant à elles dans une direction d'allure parallèle au flux du premier fluide F1 . Ces deux rangées R1 et R2 délimitent un conduit d'écoulement central 38 du premier fluide F1 au sein du générateur 30.
En référence à la figure 7, le générateur 30 comporte des conducteurs métalliques 53, à savoir des électrodes 53, et en particulier deux électrodes 53a, 53b disposées en vis-à- vis sur les parois internes du conduit d'entrée 34, et reliées entre elles par un conducteur électrique du type grille ou fil unique. Dans le cas où le conduit d'entrée 34 est de section circulaire, les électrodes 53a, 53b sont diamétralement opposées. Le flux de circulation du fluide froid F1 passe intégralement entre ces deux électrodes 53a, 53b, c'est-à-dire à travers la grille ou le fil unique.
II s'agit plus précisément d'électrodes 53 à haute tension (entre 3kV et 15kV) émettant un champ électrique propagé dans le conduit d'entrée 34 via la grille ou le fil unique. Le fluide froid F1 passe ainsi à travers ce champ électrique, et les particules fines qu'il contient, provenant d'une mauvaise combustion, se font ioniser par ce champ électrique. En d'autres termes, les électrodes 53 chargent électriquement les particules. Les particules entrant ensuite dans le corps du dispositif thermoélectrique 40 ne sont plus électriquement neutre, mais sont chargées soit positivement (cations), soit négativement (anions).
Ces particules ionisées pénètrent ainsi dans le corps, et sont attirées par les plaques 20 métalliques suite à un effet électrostatique. En effet, les plaques 20 sont reliées à la masse 54, en particulier à la masse électrique du véhicule. Les particules ionisées viennent alors se coller sur les plaques 20 métalliques, et s'agglomèrent les unes aux autres pour former de grosses particules. Les plaques 20 fonctionnent ainsi comme un piège à particules par agglomération de petites particules en grosses particules. Il agit donc comme un agglomérateur électrostatique.
Lorsque les particules sont suffisamment grosses et lourdes, elles se détachent des plaques 20 et se font emmener vers le conduit de sortie 37 via le flux de circulation du fluide chaud F1 . Un filtre standard à particule est alors positionné en aval du générateur 30 afin de capter ces grosses particules.
Grâce à cette invention, il est donc possible de filtrer aussi bien les particules fines que les grosses particules, et ce sans rajouter un système de filtration à particules fines en sus du générateur thermoélectrique 30.
Pour que l'invention fonctionne correctement, la distance entre les plaques 20 ne doit être ni trop petite, ni trop grande, afin :
- de limiter la perte de charge dans le générateur 30, c'est-à-dire conserver un débit admissible du fluide chaud F1 qui circule à travers le générateur 30 ; dans ce cas la distance entre les plaques 20 soit être suffisamment grande.
- d'exposer la totalité des particules ionisées à l'effet électrostatique ; c'est-à-dire que toutes les particules ionisées doivent se retrouver assez proche d'une plaque 20 pour être attirée par la plaque 20 lors de leur circulation au sein du générateur 30 ; dans ce cas, la distance entre les plaques 20 doit être suffisamment petite pour qu'il n'y ait pas de flux central entre deux plaques 20 dont les particules ne soit attirées par aucune des deux plaques 20, et passent ainsi au milieu pour ressortir du générateur 30 sans s'être agglutinées au préalable. Le fait que les plaques 20 soient planes permet une répartition homogène des particules collées sur les plaques 20.
Pour mettre en œuvre l'invention, un circuit électrique tel qu'illustré en pointillés en figure 7 est installé dans le dispositif thermoélectrique 40. En particulier, les modules thermoélectriques 10 produisent de l'électricité via les éléments thermoélectriques 1 1 comme expliqué précédemment. Ces modules 10 sont reliés entre eux via les lignes électriques 55, 56 et sont reliés à un convertisseur 52 DC/AC ou DC/DC, transformant le courant continu généré par les modules thermoélectriques 10 en courant alternatif ou continu haute tension, afin d'alimenter les deux électrodes 53a, 53b haute tension permettant l'ionisation des particules fines.
Lors de la mise en chauffe du véhicule, au démarrage, la filtration des particules fines doit d'ores et déjà fonctionner, même si les modules thermoélectriques 10 ne produisent pas encore suffisamment d'électricité, la différence de température entre la source chaude et la source froide n'étant pas encore suffisamment significative. Pour assurer cette fonction, une batterie 51 est ajoutée au circuit électrique, comme illustré en figure 8. Dans ce cas, un premier convertisseur 50 basse tension DC/DC, alimenté par les modules thermoélectriques 10, assure une tension aux bornes de la batterie 51 comprise entre 0 et 48V. Cette batterie 51 est reliée aux bornes des électrodes 53 haute tension par le biais d'un second convertisseur 52 haute tension DC/DC ou DC/AC. La batterie 51 assure l'alimentation en permanence de la première électrode 53a, ainsi que celle de la seconde électrode 53b reliée par exemple en série à la première électrode 53a, y compris dans la phase de démarrage moteur.
Ainsi, l'électricité produite par les modules thermoélectriques 10 est avantageusement utilisée pour alimenter les électrodes 53 pour la filtration de particules, notamment via une batterie 51 fonctionnant même durant la phase de démarrage moteur.
Selon un autre aspect de l'invention, les plaques 20 métalliques du dispositif thermoélectrique comprennent avantageusement un revêtement catalytique de sorte à réaliser une conversion catalytique de composants toxiques du fluide chaud F1 , donc des gaz d'échappement.
Ces plaques endossent ainsi la fonction de substrat catalytique pour le contrôle de l'émission des gaz d'échappement F1 en sortie du véhicule automobile. Ce revêtement comporte des molécules de métaux rares, par exemple des molécules de Platine, Rhodium, Palladium. Ces molécules serviront pour les réactions catalytiques, notamment au contact des gaz d'échappement constituant la source chaude F1 , lesdites réactions catalytiques permettant la dépollution desdits gaz d'échappement F1 .
Ainsi, les plaques 20 assurent une pluralité de fonctions :
- elles permettent le centrage et le maintien des modules 10 au sein du générateur
30 ;
- elles assurent la conduction thermique vers les premières faces actives 12 des éléments thermoélectriques 1 1 ;
- elles permettent l'agglomération de particules fines des gaz d'échappement pour la filtration ;
- elles réalisent la conversion catalytique des composants toxiques des gaz d'échappement.
Le générateur thermoélectrique de l'invention 30 pourra comprendre, en outre, un dispositif de contrôle de débit 32 bien visible en figure 5 par exemple. Ce dispositif de contrôle de débit 32 est positionné - dans le sens de circulation du fluide chaud F1 selon l'axe central X - en aval des plaques 20.
Ledit dispositif de contrôle de débit 32 a pour fonction de moduler le débit desdits gaz d'échappement F1 , à travers ledit générateur 30. Autrement dit, sa fonction consiste à diriger le flux du fluide chaud F1 au plus près des éléments thermoélectriques 1 1 , en particulier en cas de faible débit afin d'optimiser la production d'électricité.
Pour ce faire, le dispositif de contrôle de débit 32 consiste, avantageusement, en une vanne 32. Ladite vanne 32 comprend un corps de vanne 33 et un clapet 39. Le corps de vanne 33 comprend un orifice central, ouvert ou non, en fonction de la position du clapet 39. En effet, le clapet 39 est articulé par rapport au corps de vanne 33. La vanne 32 est donc apte à occuper une position ouverte, une position fermée, ou une position intermédiaire (voir figures 5 et 6). La vanne 32 pourra comprendre pour cela des moyens d'actionnement du clapet 39, non représentés, par exemple intégrés au générateur 30. Ils sont avantageusement configurés pour permettre audit clapet 39 d'occuper toute position angulaire.
Avantageusement, et notamment pour des raisons d'intégration et de compacité du générateur 30, le corps de vanne 33 est situé dans le conduit d'écoulement central 38 du générateur, dans le prolongement du dispositif thermoélectrique 40, et centré sur l'axe X.
Le parcours desdits gaz est schématisé par des flèches sur la figure 6. Les flèches représentent un débit de gaz. Schématiquement, nous avons représenté un débit important par des flèches plus épaisses. Les références numériques des différentes pièces ne sont répétées sur cette figure, dans un souci de clarté pour mieux représenter le parcours des gaz F1 , mais on peut se reporter à la figure 5 qui est identique.
Lorsque la vanne 32 est ouverte, le flux principal F1 p des gaz circule à travers le conduit d'écoulement central 38 et seule une faible fraction desdits gaz, appelé flux secondaire Fi s passe entre les modules 10. Ce cas de figure apparaît en particulier lors du démarrage du moteur thermique (moteur non illustré). La température des gaz est alors, par exemple, inférieure à 400°C pour un fluide de refroidissement dont la température est, par exemple, inférieure à 100°C. Il est à noter que la fraction des gaz traversant le générateur 30 favorise le transfert de la chaleur des gaz chauds F1 dans le liquide froid F2 lors des phases de démarrage moteur, ce qui pourra permettre d'accélérer sa mise en température nominale. D'autre part, lorsque la vanne 32 est en position fermée, les gaz F1 sont guidés vers les deux rangées R1 , R2 de modules thermoélectriques 10, selon le flux secondaire Fi s.
Plus précisément, un boîtier 31 est placé autour du générateur thermoélectrique 30 pour guider lesdits gaz F1 vers le flux secondaire Fi s. Les gaz F1 passent ainsi entre les modules 10, jusqu'à arriver contre la paroi interne du boîtier qui les dirige ensuite vers deux conduits secondaires 35,36. Les gaz F1 ayant circulé à travers la rangée supérieure R1 de modules arrivent dans le conduit secondaire supérieur 35, et les gaz F1 ayant circulé à travers la rangée inférieure R2 de modules arrivent dans le conduit secondaire inférieur 36. Ces deux conduits secondaires 35,36 rejoignent le conduit d'écoulement central 38 en aval de la vanne 32, pour déboucher ensuite sur le conduit de sortie 37 du générateur 30.
Cette configuration avec la vanne 32 en position fermée convient plus particulièrement pour des débits de gaz d'échappement faibles. Ledit débit sera, par exemple, inférieur à 30g/s pour une température des gaz, par exemple, inférieure à 750°C. Autrement dit, le générateur thermoélectrique 30 est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet 39 occupe la position fermée, le premier fluide F1 circule principalement entre les modules 10 et à travers les conduits secondaires 35,36, et lorsque le clapet 54 est en position ouverte, ledit premier fluide F1 circule principalement à travers le conduit d'écoulement central 38 du générateur 30, bien qu'une partie dudit fluide F1 puisse circuler dans les conduits secondaires 35,36.
Dans tous les cas, le premier fluide F1 passe entre les plaques 20 en les longeant sur toute leur longueur, et est en contact avec la partie centrale 22 des plaques 20 et/ou avec les tronçons 23 de plaque reliant les logements (voir figure 4).
Cela signifie que les plaques 20 captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, c'est-à-dire aussi bien dans la direction du flux principal du premier fluide F1 p selon l'axe X, que dans la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s orthogonalement à l'axe X.
De la même manière, cela signifie que ledit premier fluide F1 subit un traitement catalytique quelle que soit la position dudit clapet 39. Ainsi, les plaques fonctionnent comme un substrat catalytique dans deux directions perpendiculaires, c'est-à-dire aussi bien dans la direction du flux principal du premier fluide F1 p selon l'axe X, que dans la direction du flux secondaire du premier fluide Fi s orthogonalement à l'axe X.
Il est à noter que le boîtier 31 sert d'enveloppe externe protectrice, notamment de manière à permettre le positionnement dudit générateur 30 dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile.
Dès lors, le générateur thermoélectrique 30 de l'invention, comprenant ledit dispositif thermoélectrique 40 et ledit dispositif de contrôle de débit 32, agit comme générateur d'énergie thermoélectrique et comme contrôleur d'émission de gaz toxiques et de particules. Le fonctionnement du dispositif de contrôle de débit 32 se fera en rapport au débit de gaz d'échappement F1 mesuré, par exemple à l'entrée du générateur thermoélectrique 30 :
- lorsque le débit est inférieur à 20% du débit maximal mesurable, la vanne 32 est fermée et les gaz d'échappement F1 passent exclusivement dans les conduits secondaires 35,36 ; l'écoulement des gaz s'effectue donc principalement perpendiculairement à l'axe central X du générateur 30 ;
- lorsque le débit est supérieur à 20% du débit maximal mesurable tout en restant inférieur à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 32 est partiellement ouverte pour éviter une élévation de la pression résultante dans les conduits secondaires 35,36 ; l'écoulement du gaz est mixte et s'effectue à la fois selon l'axe central X (dans le conduit principal) et perpendiculairement à l'axe central X (dans les conduits secondaires) ;
- lorsque le débit est égal à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 32 est ouverte et la pression résultante est la même au niveau des conduits secondaires
35,36 que dans le conduite d'écoulement principal 38 ; l'écoulement du gaz est mixte et s'effectue à la fois selon l'axe central X et perpendiculairement à l'axe central X.
En ce qui concerne la description ci-dessus, les relations dimensionnelles optimales pour les parties de l'invention, en incluant les variations de taille, de matériaux, de formes, de fonction et de modes de fonctionnement, d'assemblage et d'utilisation, sont considérées comme apparentes et évidentes pour l'homme du métier, et toutes les relations équivalentes à ce qui est illustré dans les dessins et ce qui est décrit dans le mémoire sont censées être incluses dans la présente invention.

Claims

Revendications
Dispositif thermoélectrique 40 comprenant :
- une pluralité de modules 10 thermoélectriques, lesdits modules 5 10 comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique 1 1 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces 12,13, dites face active chaude 12 et face active froide 13, au contact d'une source chaude d'une part et d'une source froide d'autre part,
- au moins un corps présentant une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement.
Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication 1
caractérisé en ce qu'il comprend en outre, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.
Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de captation des particules ionisées captent les particules ionisées par effet électrostatique.
Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps se compose d'une pluralité de plaques 20 métalliques présentant chacune une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10, lesdites plaques 20 étant thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10.
5. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont mises à la masse 54 et constituent lesdits moyens de captation des particules ionisées.
6. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en au moins une électrode 53a,53b alimentée par les modules thermoélectriques 10, disposée dans le flux de circulation du premier fluide F1 en amont dudit corps et générant un champ électrique apte à ioniser les particules du premier fluide F1 .
7. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes 53a,53b reliées entre elles par un conducteur électrique de type grille ou fil unique, disposé dans le flux de circulation du premier fluide F1 et propageant le champ électrique des électrodes 53a,53b jusqu'au centre du flux de circulation du premier fluide F1 .
8. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie 51 électrique :
- alimentée par le courant électrique généré par lesdits modules 10,
- et alimentant les électrodes 53a, 53b.
9. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un premier convertisseur 50 disposé entre les modules 10 et ladite batterie 51 et assurant une tension aux bornes de batterie 51 comprise de préférence 15 entre 0 et 48V.
10. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un second convertisseur 52 disposé entre la batterie 51 et les électrodes 53a, 53b et assurant une tension élevée aux bornes des électrodes 53a, 53b comprise de préférence entre 3kV et 15kV, cette tension créant ledit champ électrique.
1 1 . Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que les plaques 20 sont planes.
12. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications 4 à 1 1 , caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 .
13. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de circulation du premier fluide F1 comporte un flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique 40, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux principal F1 p.
14. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques 20 captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.
15. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un corps sous la forme d'une pluralité de plaques 20 présentant chacune une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10, lesdites plaques 20 ayant une fonction, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, de substrat catalytique assurant une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide F1 circulant entre les plaques 20, lesdites plaques 20 étant disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 , ledit dispositif 40 comportant en outre deux rangées R1 , R2 de modules 10 situées en vis-à-vis l'une de l'autre, chaque rangée R1 , R2 de modules 10 s'étendant dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide F1 , ledit premier fluide F1 comportant un flux principal F1 p circulant dans une partie centrale 22 des plaques 20 délimitée de part et d'autre par les deux rangées R1 ,R2 de modules.
16. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit premier fluide F1 correspond à la source chaude.
17. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont toutes identiques.
18. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements 21 d'une plaque 20 à l'autre.
19. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont enduites d'un revêtement catalytique.
20. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de circulation du premier fluide F1 comporte le flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique 40, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux principal F1 p.
21 . Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques 20 opèrent une catalyse du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.
22. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module 10 est orienté perpendiculairement aux plaques 20 et traverse la totalité des plaques 20 en s'intégrant dans lesdits logements 21 successifs.
23. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux principal F1 p du premier fluide circule entre les deux rangées R1 , R2 de modules 10 en longeant les plaques 20.
24. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide F1 comporte un flux secondaire Fi s circulant entre les modules 10 d'une même rangée R1 , R2 en longeant les plaques 20, ledit flux secondaire Fi s étant orthogonal au flux principal F1 p.
25. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10.
26. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques sont métalliques.
27. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.
28. Générateur thermoélectrique 30 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermoélectrique 40 selon l'une quelconque des revendications précédentes.
29. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, consistent en deux électrodes 53a,53b disposées en vis-à-vis au niveau des parois internes d'un conduit d'entrée 34 du premier fluide F1 .
30. Générateur thermoélectrique 30 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermoélectrique 40 selon l'une quelconque des revendications 4 à 27, lequel générateur thermoélectrique 30 comprend un dispositif de contrôle de débit 32 positionné dans le sens de circulation du premier fluide F1 , en aval des plaques 20.
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