WO2018060612A1 - Generateur thermoelectrique pour vehicule a moteur thermique - Google Patents

Generateur thermoelectrique pour vehicule a moteur thermique Download PDF

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WO2018060612A1
WO2018060612A1 PCT/FR2017/052617 FR2017052617W WO2018060612A1 WO 2018060612 A1 WO2018060612 A1 WO 2018060612A1 FR 2017052617 W FR2017052617 W FR 2017052617W WO 2018060612 A1 WO2018060612 A1 WO 2018060612A1
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WO
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cold
hot
plies
generator
tubes
Prior art date
Application number
PCT/FR2017/052617
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Inventor
Patrick Boisselle
Véronique MONNET
Kamel Azzouz
Ambroise SERVANTIE
Cédric DE VAULX
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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Publication date
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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 by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • 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
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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
    • H10N10/17—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 structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • 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

  • the present invention relates to a thermoelectric generator for equipping a combustion engine internal combustion engine.
  • the invention applies to the recovery of thermal energy resulting from the operation of this vehicle to generate electrical energy in the vehicle.
  • thermoelectric generators using rows of thermoelectric elements for generating an electric current in the presence of a temperature gradient between two of their opposite faces, by the Seebeck effect.
  • These generators usually comprise a stack of layers of hot tubes carrying vehicle exhaust and cold tubes carrying a cooling liquid, between and in contact with which the thermoelectric elements are typically sandwiched by brazing in contact with the hot tubes.
  • These elements are subjected to a temperature gradient generated by the temperature difference between these gases and this liquid, so that these generators make it possible to produce electricity from a conversion of this thermal gradient resulting from the recycling of gases. .
  • FIG. 1 appended to the present description schematically shows in cross-section a unitary stack of the prior art, comprising a hot tube 1 of rectangular section whose two large upper and lower faces 1a are respectively equipped with two series of thermoelectric elements. cubic 2 coated plane tracks of electrical conduction 2a in contact with these faces 1a and with two upper and lower series of external cold tubes 3 for this unitary stack.
  • the number of plies of cold tubes 3 is equal to twice the number of plies of hot tubes 1, as shown in Figure 2 which shows schematically a stack with two layers of tubes 1 each of which are provided separately with two plies of cold tubes 3 to enclose two sets of thermoelectric elements 2 sandwiched respectively between two separate pairs of plies of cold tubes 3, a total of four cold plies for two hot plies.
  • FIGS. 3a and 3b respectively show in exploded and assembled views a sheet of four rectangular hot tubes 1 coated on their two large faces with thermoelectric elements 2 sandwiched between two upper and lower layers of cold tubes 3, themselves coated with upper and lower closure plates 4.
  • Each sheet of cold tubes 3 is supplied in known manner with cooling liquid by being connected to a common supply circuit by two upper and lower tubular collectors 5 which extend in a parallel longitudinal direction to the axis of symmetry of each hot tube 1 and which are respectively in fluid communication with the lateral edges of the two sheets of cold tubes 3.
  • these collectors 5 contribute to increasing the overall volume of the generator incorporating such stacks, particularly in the superimposition direction of the different layers.
  • thermoelectric generators in which sheets of cold tubes are common to two consecutive stages of thermoelectric elements but without individual contacts between the cold layers and the stages of thermoelectric elements.
  • these generators use a single cold tube to connect all the thermoelectric elements of the same stage, which has the major disadvantage of penalizing the thermal contact between the high area surfaces of the thermoelectric elements and the tubes. cold, especially because of flatness defects of these surfaces and the great difficulty of applying a homogeneous pressure on all of these surfaces of high areas.
  • An object of the present invention is to provide a thermoelectric generator intended to equip a vehicle with an internal combustion engine which overcomes all of the aforementioned drawbacks, the generator comprising a stack in a determined direction of:
  • Ny being an integer equal to or greater than 2, each containing at least one hot tube adapted to convey exhaust gas at high temperature of the vehicle,
  • Ny 'cold plies Ny' being an integer equal to or greater than 3, each containing at least one cold tube adapted to convey a coolant of the vehicle, the cold plies being mounted alternately with the hot plies in the direction of stacking, and
  • thermoelectric elements interposed in the stack between said hot tubes and said cold tubes, the thermoelectric elements being each in contact with one of said hot sheets and one of said adjacent cold plies.
  • thermoelectric generator is such that Ny and Ny 'verify the relation 3 ⁇ Ny' ⁇ 2 Ny.
  • the arrangement of the hot and cold plies corresponding to this relationship according to the invention defining the number of cold plies as being less than twice the number of hot plies makes it possible to reduce the distance between two consecutive hot plies in the stack and consequently the height and therefore the volume of the latter, compared with the known generators of FIG. 2 comprising twice as many cold plies as hot plies. This results in an increase in the ratio of the volume of the thermoelectric elements on the volume of the generator according to the invention, compared to these known generators.
  • thermoelectric generator does not penalize the level of performance obtained for the thermoelectric generator according to the invention, because the heat exchange the coolant side is always oversized compared to the heat side exchange.
  • Ny and Ny 'can verify the relationship:
  • this arrangement makes at least one pair of two consecutive hot plies separated from one another in the direction of the stack by a single cold ply which is common to both sets of plies. thermoelectric elements integral with these hot layers, it significantly reduces the total number of cold tubes in all the cold sheets of the generator.
  • Ny and Ny 'can verify the relationship Ny' Ny + 1, said Ny 'cold layers comprising:
  • outer cold plies which are respectively upper and lower for said stack and between which alternate alternately said hot plies and said inner cold plies.
  • each pair of two consecutive hot plies are separated from each other in the direction of the stack by a single cold ply, which makes it possible to maximize the volume ratio. thermoelectric elements on the overall volume of the generator and to minimize the total number of cold tubes in the generator.
  • the number N x 'of said cold tubes in each of said Ny' cold sheets may be equal to the number N x of said hot tubes in each of said n y hot layers and can verify the relationship N x '> N tU bes / 3, where N tU bes is the total number of said hot tubes in the generator.
  • said cold tubes can thus be arranged in the generator in an arrangement of lines along said plies and columns along said direction of the stack, which simplifies the production of the generator and improves the homogeneity of the generator. heat exchange).
  • the number Nx 'of said cold tubes in each of said Ny' cold plies may be equal to or greater than 6.
  • the Ny 'cold plies are each in fluid communication with coolant collectors and are adapted to form an individualized cold source for the thermoelectric elements interposed between two said consecutive cold plies in the stack and one of said hot tubes which is inside said two consecutive cold plies.
  • said two outer cold plies may each be surmounted by means for clamping said stack which comprise outer clamping plates and elastomeric clamping gaskets, each joint being compressed between one of said plates and one said cold tube of each outer cold ply, these joints being adapted to compensate for flatness defects during clamping of the stack and to be thermally conductive.
  • the generator may further comprise means for producing a heat shield which are mounted laterally on either side of said at least one hot tube of each of said hot layers being adapted to reduce radiation from said at least one hot tube to said neighboring thermoelectric elements.
  • said means for producing a heat shield may comprise elements made of coated steel, preferably steel coated with an aluminum-silicon alloy.
  • said N x hot tubes of each of said n y hot layers can advantageously each have in cross section a substantially rectangular shape with two large upper and lower sides receiving two upper and lower series. lower thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements consist of prismatic pads (ie defined in the broad sense by a broken closed line-shaped director extending along a generator), for example parallelepipedic or cubic.
  • prismatic pads ie defined in the broad sense by a broken closed line-shaped director extending along a generator
  • parallelepipedic or cubic for example parallelepipedic or cubic.
  • pyramid-shaped or pyramid-shaped studs cylindrical studs (ie defined broadly by a curved closed-line directrix extending along a generator) or even studs in the form of a cone or truncated cone.
  • FIG. 1 is a partial diagrammatic cross-sectional view of a unitary stack according to the prior art with thermoelectric elements sandwiched between a hot tube and cold tubes
  • FIG. 2 is a partial diagrammatic cross-sectional view of a thermoelectric generator according to the prior art showing two stages of thermoelectric elements, each being sandwiched between a hot tube and cold tubes
  • FIG. 3a is an exploded view from above and in perspective of a unit stack according to FIG. 1 for a sheet of hot tubes, showing coolant collectors and closure plates,
  • FIG. 3b is an assembled view from above and in perspective of the unitary stack of FIG. 3a
  • FIG. 4 is a partial schematic cross-sectional view of a thermoelectric generator according to the invention showing two stages of thermoelectric elements each sandwiched between a hot tube and cold tubes,
  • FIG. 5 is a partial perspective view of the front of the upper part of a thermoelectric generator according to the invention showing two stages of thermoelectric elements each sandwiched between a sheet of hot tubes and two sheets of cold tubes and further showing heat shielding means relating to the hot tubes, and clamping plate assemblies surmounting the outer layers of cold tubes
  • Figure 6 is a graph showing the evolution of the reduction in the number of cold tubes in a thermoelectric generator according to FIG. 5 in comparison with the number of cold tubes in a generator of the prior art according to FIG. 2, as a function of the number Ny of hot plies and for a total number N tU bes of hot tubes equal to 24.
  • thermoelectric elements 2 also formed in this example of cubic pads
  • sandwich between a ply of hot tubes 1 hot ply hereinafter hot tubes 1, for example stainless steel equipped with “turbulators” 1 a, adapted to convey the high temperature exhaust gas of the vehicle
  • two plies of tubes cold 3 cold plies hereinafter cold tubes 3 for example aluminum, adapted to convey a coolant of the vehicle
  • a sheet of cold tubes 3 in common which is the only separation between these stages.
  • the two floors were separated one from the other by two superimposed cold plies respectively belonging to the two stages of elements 2 forming two unitary stacks.
  • FIG. 5 details the structure of a thermoelectric generator 10 according to the invention, which essentially comprises a stack in a Y (vertical) direction of:
  • Hot layers 11 each containing N x rectangular hot tubes 1 (N x and Ny integers independently equal to or greater than 3) whose large upper and lower faces 1 a are coated by brazing (via electric conduction tracks 2 a) of a pair of respectively upper and lower series of thermoelectric elements 2 (symbolized by the terminals P and N in FIG. 5), and
  • Nx'cold multichannel tubes 3 Nx' integer equal to or greater than 3
  • each pair of series of elements 2 which is sandwiched directly between each corresponding hot tube 1 and two cold plies 13a, 13b by brazing (via other electric conduction tracks 2a integral with each cold tube 3 by "dry" contact, ie without brazing, usually with the interposition of a thermal interface material, for example graphite or silicone between tracks 2a and 3) tubes.
  • each hot ply 11 consists of as many hot tubes 1 as there are cold tubes 3 in each cold ply 13a, 13b.
  • Nx ' Nx, which means that the cold and hot tubes are arranged in a regular arrangement of lines (by plies 11 and 13a, 13b) and columns (in the Y direction).
  • the generator 10 comprises: • Ny '- 2 inner cold plies 13a which are each interposed between two consecutive hot plies 11 in the Y direction, and
  • the number N x 'of cold tubes 3 per cold ply 13a, 13b it is preferably chosen at least equal to 6.
  • the generator 10 comprises:
  • Nx' 6 cold tubes 3 (a total of 30 cold tubes 3 compared to the 48 cold tubes that would have behaved a generator according to the prior art of Figure 2, d where a reduction of 37.5% in the number of cold tubes compared to this prior art).
  • the generator 10 also comprises upper and lower closure plates 14 (only the upper plate 14 is visible in FIG. 5) and transverse collectors 15 of the cooling liquid in fluid communication with the cold tubes 3 each cold ply 13 (only the collectors 15 mounted at the rear of the cold plies 13 are visible in Figure 5).
  • each elastomeric clamping gasket 16 is thermally conductive (being for example of Sil-Pad® type) , which improves the thermal transfer at the generator 10.
  • the Nx 'cold tubes 3 of each external cold ply 13b are respectively coated Nx' seals 16.
  • FIG. 5 also shows that the generator 10 comprises, interposed between the hot tubes 1 two consecutive pairs of each hot ply 11 (ie mounted vertically on uprights on either side of each column of hot tubes 1) , elements 17 forming heat shields capable of reducing the radiation from the hot tubes 1 to the neighboring thermoelectric elements 2.
  • elements 17, which each extend in a vertical plane facing the lateral faces of each hot tube 1 may be made of coated steel and preferably of aluminized steel, ie coated with an aluminum-silicon alloy (for example a steel coated with an Al-Si alloy, marketed by ArcelorMittal under the name Alusi®).
  • Figure 6 illustrates the results obtained for a total number of

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Abstract

L'invention concerne un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne. Le générateur thermoélectrique (10) comprend un empilement selon une direction (Y) de: - Ny nappes chaudes (11), Ny étant un entier égal ou supérieur à 2, qui contiennent chacune au moins un tube chaud (1) pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule, - Ny' nappes froides (13a, 13b), Ny' étant un entier égal ou supérieur à 3, qui contiennent chacune au moins un tube froid (3) pour liquide de refroidissement du véhicule, les nappes froides étant montées en alternance avec les nappes chaudes selon la direction de l'empilement, et ¦ d'éléments thermoélectriques (2) intercalés dans l'empilement entre les tubes chauds et les tubes froids, les éléments thermoélectriques étant chacun au contact d'une des nappes chaudes et d'une des nappes froides adjacentes. Selon l'invention, Ny et Ny' vérifient la relation 3 ≤ Ny' < 2 Ny.

Description

GENERATEUR THERMOELECTRIQUE POUR VEHICULE A MOTEUR
THERMIQUE.
La présente invention concerne un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne. L'invention s'applique à la récupération d'énergie thermique issue du fonctionnement de ce véhicule pour générer de l'énergie électrique dans le véhicule.
On connaît dans des véhicules automobiles des générateurs thermoélectriques utilisant des rangées d'éléments thermoélectriques pour générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées, par effet Seebeck. Ces générateurs comprennent usuellement un empilement de nappes de tubes chauds véhiculant des gaz d'échappement du véhicule et de tubes froids véhiculant un liquide de refroidissement, entre et au contact desquels les éléments thermoélectriques sont pris en sandwich typiquement par brasure au contact des tubes chauds. Ces éléments sont soumis à un gradient de température généré par l'écart de température entre ces gaz et ce liquide, de sorte que ces générateurs permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de ce gradient thermique issu du recyclage des gaz.
Dans ces générateurs, un objectif principal est d'optimiser le ratio du volume des éléments thermoélectriques sur le volume de l'ensemble du générateur. A cet effet, on cherche généralement à minimiser les distances entre les tubes chauds d'une même nappe chaude (i.e. d'un même étage de tubes chauds) et les tubes froids. La figure 1 annexée à la présente description montre schématiquement en section transversale un empilement unitaire de l'art antérieur, comprenant un tube chaud 1 de section rectangulaire dont les deux grandes faces supérieures et inférieures 1 a sont respectivement équipées de deux séries d'éléments thermoélectriques cubiques 2 revêtues de pistes planes de conduction électrique 2a en contact avec ces faces 1 a et avec deux séries supérieures et inférieures de tubes froids 3 extérieurs pour cet empilement unitaire. Dans un générateur de l'art antérieur comportant une pluralité d'empilements unitaires selon la figure 1 , le nombre de nappes de tubes froids 3 est égal au double du nombre de nappes de tubes chauds 1 , comme visible à la figure 2 qui montre schématiquement un empilement à deux nappes de tubes chauds 1 qui sont chacune pourvues séparément de deux nappes de tubes froids 3 pour enserrer deux séries d'éléments thermoélectriques 2 prises respectivement en sandwich entre deux paires distinctes de nappes de tubes froids 3, soit au total quatre nappes froides pour deux nappes chaudes.
Les figures 3a et 3b montrent en vues respectivement éclatée et assemblée une nappe de quatre tubes chauds rectangulaires 1 revêtus sur leurs deux grandes faces d'éléments thermoélectriques 2 pris en sandwich entre deux nappes supérieure et inférieure de tubes froids 3, elles-mêmes revêtues de plaques supérieure et inférieure de fermeture 4. Chaque nappe de tubes froids 3 est alimentée de manière connue en liquide de refroidissement en étant connectée à un circuit d'alimentation commun par deux collecteurs tubulaires supérieur et inférieur 5 qui s'étendent dans une direction longitudinale parallèle à l'axe de symétrie de chaque tube chaud 1 et qui sont respectivement en communication fluidique avec des bords latéraux des deux nappes de tubes froids 3. Or, ces collecteurs 5 contribuent à augmenter le volume global du générateur incorporant de tels empilements, notamment dans la direction de superposition des différentes nappes.
Les documents US 2015/0333244 A1 et JP 5673426 B2 présentent d'autres types de générateurs thermoélectriques, dans lesquels des nappes de tubes froids sont communes à deux étages consécutifs d'éléments thermoélectriques mais sans contacts individuels entre les nappes froides et les étages d'éléments thermoélectriques. En d'autres termes, ces générateurs utilisent un seul tube froid pour connecter tous les éléments thermoélectriques d'un même étage, ce qui présente l'inconvénient majeur de pénaliser le contact thermique entre les surfaces d'aires élevées des éléments thermoélectriques et des tubes froids, notamment en raison des défauts de planéité de ces surfaces et de la grande difficulté d'appliquer une pression homogène sur l'intégralité de ces surfaces d'aires élevées. Un but de la présente invention est de proposer un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne qui remédie à l'ensemble des inconvénients précités, le générateur comprenant un empilement selon une direction déterminée de:
- Ny nappes chaudes, Ny étant un entier égal ou supérieur à 2, qui contiennent chacune au moins un tube chaud adapté pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule,
- Ny' nappes froides, Ny' étant un entier égal ou supérieur à 3, qui contiennent chacune au moins un tube froid adapté pour véhiculer un liquide de refroidissement du véhicule, les nappes froides étant montées en alternance avec les nappes chaudes selon la direction de l'empilement, et
- d'éléments thermoélectriques intercalés dans l'empilement entre lesdits tubes chauds et lesdits tubes froids, les éléments thermoélectriques étant chacun au contact d'une desdites nappes chaudes et d'une desdites nappes froides adjacentes.
A cet effet, un générateur thermoélectrique selon l'invention est tel que Ny et Ny' vérifient la relation 3 < Ny' < 2 Ny.
On notera que l'agencement des nappes chaudes et froides correspondant à cette relation selon l'invention définissant le nombre de nappes froides comme étant inférieur au double du nombre de nappes chaudes permet de réduire la distance entre deux nappes chaudes consécutives dans l'empilement et par conséquent la hauteur et donc le volume de ce dernier, en comparaison des générateurs connus de la figure 2 comportant deux fois plus de nappes froides que de nappes chaudes. Il en résulte une augmentation du ratio du volume des éléments thermoélectriques sur le volume du générateur selon l'invention, par rapport à ces générateurs connus.
On notera également que cette réduction du nombre de nappes froides ne pénalise pas le niveau de performance obtenu pour le générateur thermoélectrique selon l'invention, du fait que l'échange thermique du côté du liquide de refroidissement est toujours surdimensionné par rapport à l'échange du côté des nappes chaudes.
Avantageusement, Ny et Ny' peuvent vérifier la relation :
3 < Ny' < Ny + 2.
On notera que cet agencement selon l'invention fait qu'au moins une paire de deux nappes chaudes consécutives sont séparées l'une de l'autre dans la direction de l'empilement par une seule nappe froide qui est commune aux deux séries d'éléments thermoélectriques solidaires de ces nappes chaudes, ce permet de réduire de manière significative le nombre total de tubes froids dans l'ensemble des nappes froides du générateur.
Encore plus avantageusement, Ny et Ny' peuvent vérifier la relation Ny' = Ny + 1 , lesdites Ny' nappes froides comprenant :
• Ny' - 2 dites nappes froides intérieures qui sont chacune intercalées entre deux nappes chaudes consécutives dans l'empilement, et
· deux dites nappes froides extérieures qui sont respectivement supérieure et inférieure pour ledit empilement et entre lesquelles se succèdent en alternance lesdites nappes chaudes puis lesdites nappes froides intérieures.
On notera que dans ce cas préférentiel de l'invention, chaque paire de deux nappes chaudes consécutives sont séparées l'une de l'autre dans la direction de l'empilement par une seule nappe froide, ce qui permet de maximiser le ratio du volume des éléments thermoélectriques sur le volume global du générateur et de minimiser le nombre total de tubes froids dans le générateur.
On notera également que le coût global d'un générateur selon l'invention est réduit en conséquence, en comparaison de celui d'un générateur de l'art antérieur comportant deux fois plus de nappes froides que de nappes chaudes, puisque l'on supprime au total Ny' - 1 nappes froides de ce générateur connu pour aboutir à Ny' + 1 nappes froides dans ce générateur de l'invention.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le nombre Nx' desdits tubes froids dans chacune desdites Ny' nappes froides peut être égal au nombre Nx desdits tubes chauds dans chacune desdites Ny nappes chaudes et peut vérifier la relation Nx' > NtUbes /3, où NtUbes est le nombre total desdits tubes chauds dans le générateur.
On notera que lesdits tubes froids peuvent être ainsi disposés dans le générateur suivant un arrangement de lignes le long desdits nappes et de colonnes le long de ladite direction de l'empilement, ce qui simplifie la réalisation du générateur et améliore l'homogénéité de l'échange thermique).
On notera toutefois que le nombre Nx de tubes chauds par nappe chaude pourrait être différent du nombre Nx' de tubes froids par nappe froide, sans sortir du cadre de l'invention.
Avantageusement, le nombre Nx' desdits tubes froids dans chacune desdites Ny' nappes froides peut être égal ou supérieur à 6.
Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, les Ny' nappes froides sont chacune en communication fluidique avec des collecteurs du liquide de refroidissement et sont adaptées pour former une source froide individualisée pour les éléments thermoélectriques intercalés entre deux dites nappes froides consécutives dans l'empilement et l'un desdits tubes chauds qui est intérieur auxdites deux nappes froides consécutives.
On notera que cet agencement se traduit par des contacts individuels (i.e. distincts) entre les nappes froides et les étages d'éléments thermoélectriques, avec chaque nappe froide qui est ainsi reliée au circuit commun de circulation du liquide de refroidissement.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdites deux nappes froides extérieures peuvent être chacune surmontées de moyens pour serrer ledit empilement qui comprennent des plaques extérieures de serrage et des joints élastomères de serrage, chaque joint étant comprimé entre l'une desdites plaques et un dit tube froid de chaque nappe froide extérieure, ces joints étant adaptés pour compenser des défauts de planéité lors du serrage de l'empilement et pour être thermiquement conducteurs.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le générateur peut comprendre en outre des moyens pour réaliser un écran thermique qui sont montés latéralement de part et d'autre dudit au moins un tube chaud de chacune desdites nappes chaudes et qui sont adaptés pour réduire le rayonnement provenant dudit au moins un tube chaud vers lesdits éléments thermoélectriques voisins.
Avantageusement, lesdits moyens pour réaliser un écran thermique peuvent comprendre des éléments en acier revêtu, de préférence en acier revêtu d'un alliage aluminium-silicium.
Selon un autre aspect de l'invention commun à l'ensemble des caractéristiques précitées, lesdits Nx tubes chauds de chacune desdites Ny nappes chaudes peuvent avantageusement présenter chacun en section transversale une forme sensiblement rectangulaire à deux grands côtés supérieur et inférieur recevant deux séries supérieure et inférieure des éléments thermoélectriques.
De préférence et en relation avec l'ensemble des caractéristiques précitées, lesdits éléments thermoélectriques sont constitués de plots prismatiques (i.e. définis au sens large par une directrice en forme de ligne fermée brisée s'étendant le long d'une génératrice), par exemple parallélépipédiques ou cubiques. En variante, on pourrait utiliser des plots en forme de pyramide ou de tronc de pyramide, des plots cylindriques (i.e. définis au sens large par une directrice en forme de ligne fermée courbe s'étendant le long d'une génératrice) ou même des plots en forme de cône ou de tronc de cône.
D'autres caractéristiques, avantages et détails de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, la description étant réalisée en référence aux dessins joints, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue schématique partielle en section transversale d'un empilement unitaire selon l'art antérieur à éléments thermoélectriques pris en sandwich entre un tube chaud et des tubes froids, la figure 2 est une vue schématique partielle en section transversale d'un générateur thermoélectrique selon l'art antérieur montrant deux étages d'éléments thermoélectriques, chacun étant pris en sandwich entre un tube chaud et des tubes froids, la figure 3a est une vue éclatée de dessus et en perspective d'un empilement unitaire selon la figure 1 pour une nappe de tubes chauds, montrant des collecteurs de liquide de refroidissement et des plaques de fermeture,
la figure 3b est une vue assemblée de dessus et en perspective de l'empilement unitaire de la figure 3a,
la figure 4 est une vue schématique partielle en section transversale d'un générateur thermoélectrique selon l'invention montrant deux étages d'éléments thermoélectriques pris chacun en sandwich entre un tube chaud et des tubes froids,
la figure 5 est une vue partielle en perspective de l'avant de la partie supérieure d'un générateur thermoélectrique selon l'invention montrant deux étages d'éléments thermoélectriques pris chacun en sandwich entre une nappe de tubes chauds et deux nappes de tubes froids et montrant en outre des moyens d'écran thermique relatifs aux tubes chauds, et des assemblages plaques-joints de serrage surmontant les nappes externes de tubes froids, et la figure 6 est un graphique montrant l'évolution de la réduction du nombre de tubes froids dans un générateur thermoélectrique selon la figure 5 en comparaison du nombre de tubes froids dans un générateur de l'art antérieur selon la figure 2, en fonction du nombre Ny de nappes chaudes et pour un nombre total NtUbes de tubes chauds égal à 24.
L'empilement unitaire selon l'invention visible à la figure 4 se distingue de celui de la figure 2, en ce que les deux étages d'éléments thermoélectriques 2 adjacents (formés également dans cet exemple de plots cubiques), qui sont chacun pris en sandwich entre une nappe de tubes chauds 1 (nappe chaude ci-après de tubes chauds 1 par exemple en acier inoxydable équipés de « turbulateurs » 1 a, adaptés pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule) et deux nappes de tubes froids 3 (nappes froides ci-après de tubes froids 3 par exemple en aluminium, adaptés pour véhiculer un liquide de refroidissement du véhicule), ont une nappe de tubes froids 3 en commun qui constitue l'unique séparation entre ces étages. Pour rappel, à la figure 2 les deux étages étaient séparés l'un de l'autre par deux nappes froides superposées appartenant respectivement aux deux étages d'éléments 2 formant deux empilements unitaires.
La figure 5 détaille la structure d'un générateur thermoélectrique 10 selon l'invention, qui comprend essentiellement un empilement dans une direction Y (verticale) de :
- Ny nappes chaudes 11 qui contiennent chacune Nx tubes chauds 1 rectangulaires (Nx et Ny entiers indépendamment égaux ou supérieurs à 3) dont les grandes faces supérieures et inférieures 1 a sont revêtues par brasage (via des pistes de conduction électrique 2a) d'une paire de séries respectivement supérieure et inférieure d'éléments thermoélectriques 2 (symbolisés par les bornes P et N à la figure 5), et de
- Ny' nappes froides 13a, 13b (Ny' entier supérieur à 3) qui contiennent chacune Nx' tubes froids 3 multicanaux (Nx' entier égal ou supérieur à 3) et qui sont montées de part et d'autre des nappes chaudes 11 dans la direction Y, avec chaque paire de séries d'éléments 2 qui est prise directement en sandwich entre chaque tube chaud 1 correspondant et deux nappes froides 13a, 13b par brasage (via d'autres pistes de conduction électrique 2a solidaires de chaque tube froid 3 par contact « sec », i.e. sans brasage, usuellement avec interposition d'un matériau d'interface thermique par exemple en graphite ou en silicone entre pistes 2a et tubes 3).
Dans cet exemple de réalisation de l'invention, chaque nappe chaude 11 est constituée d'autant de tubes chauds 1 qu'il y a de tubes froids 3 dans chaque nappe froide 13a, 13b. En d'autres termes, on a Nx' = Nx, ce qui signifie que les tubes froids et chauds sont disposés suivant un arrangement régulier de lignes (par nappes 11 et 13a, 13b) et de colonnes (dans la direction Y).
Comme illustré à la figure 5, le générateur 10 comprend : • Ny' - 2 nappes froides intérieures 13a qui sont chacune intercalées entre deux nappes chaudes 11 consécutives dans la direction Y, et
· 2 nappes froides extérieures 13b respectivement supérieure et inférieure, entre lesquelles se succèdent en alternance les nappes chaudes 11 puis les nappes froides intérieures 13a. Avantageusement et comme expliqué ci-dessus, le générateur 10 est tel que Ny' = Ny + 1 , i.e. comportant une nappe froide 13a, 13b de plus que le nombre Ny de nappes chaudes 11 . Quant au nombre Nx' de tubes froids 3 par nappe froide 13a, 13b, il est de préférence choisi au moins égal à 6.
Selon un exemple de l'invention, le générateur 10 comprend :
- Ny = 4 nappes chaudes 11 constituées chacune de Nx = 6 tubes chauds 1 (soit un total de 24 tubes chauds 1 ), et
- Ny' = 5 nappes froides 13 constituées chacune de Nx' = 6 tubes froids 3 (soit un total de 30 tubes froids 3 en comparaison des 48 tubes froids qu'aurait comporté un générateur selon l'art antérieur de la figure 2, d'où une réduction de 37,5 % du nombre de tubes froids par rapport à cet art antérieur).
Par conséquent, on comprend qu'un tel générateur 10 selon l'invention permet de réduire de manière significative le nombre de tubes froids 3 dans l'ensemble de l'empilement de nappes froides 13a, 13b, comme cela sera explicité ci-après en référence à la figure 6, et donc de réduire en proportion le coût du générateur 10.
Comme visible à la figure 5, le générateur 10 comprend également des plaques de fermeture 14 supérieure et inférieure (seule la plaque supérieure 14 est visible à la figure 5) et des collecteurs transversaux 15 du liquide de refroidissement en communication fluidique avec les tubes froids 3 de chaque nappe froide 13 (seuls les collecteurs 15 montés à l'arrière des nappes froides 13 sont visibles à la figure 5).
Entre et au contact de chaque tube froid 3 de chacune des deux nappes froides extérieures 13b (supérieure et inférieure) et de chaque plaque de fermeture 14 correspondante (i.e. respectivement supérieure ou inférieure), est monté un joint élastomère de serrage 16 comprimé entre la plaque 14 et le tube froid 3 correspondants et adapté pour rattraper des défauts de planéité lors du serrage de tout l'empilement de couches formant le générateur 10. Chaque joint élastomère de serrage 16 est thermiquement conducteur (étant par exemple de type Sil-Pad®), ce qui permet d'améliorer le transfert thermique au niveau du générateur 10. Comme visible à la figure 5, les Nx' tubes froids 3 de chaque nappe froide extérieure 13b sont respectivement revêtus de Nx' joints 16.
On voit en outre à la figure 5 que le générateur 10 comprend, intercalés entre les tubes chauds 1 deux à deux consécutifs de chaque nappe chaude 11 (i.e. montés verticalement sur des montants de part et d'autre de chaque colonne de tubes chauds 1 ), des éléments 17 formant des écrans thermiques aptes à réduire le rayonnement provenant des tubes chauds 1 vers les éléments thermoélectriques 2 voisins. Ces éléments 17, qui s'étendent chacun dans un plan vertical en regard des faces latérales de chaque tube chaud 1 , peuvent être réalisés en acier revêtu et de préférence en acier aluminié, i.e. revêtu d'un alliage aluminium-silicium (par exemple un acier revêtu d'un alliage Al-Si, commercialisé par ArcelorMittal sous la dénomination Alusi®).
La demanderesse a cherché à déterminer l'économie réalisée par la réduction du nombre total de tubes froids 3 dans le générateur 10 selon l'invention en fonction du nombre Ny variable choisi de nappes chaudes 11 (Ny = Ntubes / Nx, où Ntubes désigne le nombre total de tubes chauds 1 et Nx également variable désigne à la fois le nombre de tubes chauds 1 par nappe chaude 11 et le nombre identique Nx' de tubes froids 3 par nappe froide 13a, 13b) sachant que le nombre Ny' de nappes froides 13a, 13b dans ce générateur 10 est tel que Ny' = Ny + 1 , en réalisant le calcul suivant en comparaison d'un générateur de l'art antérieur suivant le principe de construction de la figure 2 (i.e. par définition avec un nombre de nappes froides Ny' = 2.Ny, soit un nombre total de tubes froids de 2(Nx.Ny)).
Le nombre total de tubes froids 3 dans le générateur 10 est égal à Nx'.Ny' = Nx(Ny + 1 ).
La réduction R (en %) du nombre total de tubes froids 3 dans
Nx(Ny+l)
le générateur 10 est donc égale à 100 1 - 2 (Nx.Ny) J Or, étant donné que NtUbes = Nx.Ny, cela donne pour cette réduction R (%) = 50 l ^—\ .
' Y NtubesJ
La figure 6 illustre les résultats obtenus pour un nombre total
Ntubes de tubes chauds 1 égal à 24 (i.e. 4 nappes 11 de 6 tubes chauds 1 chacune), et montre que l'obtient avantageusement une réduction R égale ou supérieure à 33 % pour au moins trois nappes chaudes 11 (i.e. pour Ny > 3) et par exemple égale à 37,5 % pour quatre nappes chaudes 11 (i.e. Ny = 4 et Ny'
= 5). Cette réduction peut même être supérieure à 40 % pour au moins six nappes chaudes 11 et presque égale à 50 % pour 24 nappes chaudes 11 .

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Générateur thermoélectrique (10) destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne, le générateur comprenant un empilement selon une direction (Y) de:
- Ny nappes chaudes (11 ), Ny étant un entier égal ou supérieur à 2, qui contiennent chacune au moins un tube chaud (1 ) adapté pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule,
- Ny' nappes froides (13a, 13b), Ny' étant un entier égal ou supérieur à 3, qui contiennent chacune au moins un tube froid (3) adapté pour véhiculer un liquide de refroidissement du véhicule, les nappes froides étant montées en alternance avec les nappes chaudes selon la direction de l'empilement, et
- d'éléments thermoélectriques (2) intercalés dans l'empilement entre lesdits tubes chauds et lesdits tubes froids, les éléments thermoélectriques étant chacun au contact d'une desdites nappes chaudes et d'une desdites nappes froides adjacentes,
caractérisé en ce que Ny et Ny' vérifient la relation :
3 < Ny' < 2 Ny.
2) Générateur (10) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que Ny et Ny' vérifient la relation 3 < Ny' < Ny + 2.
3) Générateur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que Ny et Ny' vérifient la relation Ny' = Ny + 1 , lesdites Ny' nappes froides
(13a, 13b) comprenant :
• Ny' - 2 dites nappes froides intérieures (13a) qui sont chacune intercalées entre deux nappes chaudes (11 ) consécutives dans ledit empilement, et
· deux dites nappes froides extérieures (13b) qui sont respectivement supérieure et inférieure pour ledit empilement et entre lesquelles se succèdent en alternance lesdites nappes chaudes puis lesdites nappes froides intérieures.
4) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre Nx' desdits tubes froids (3) dans chacune desdites Ny' nappes froides (13a, 13b) est égal au nombre Nx desdits tubes chauds (1 ) dans chacune desdites Ny nappes chaudes (11 ) et vérifie la relation suivante :
Nx' > Ntubes 3 où Ntubes est le nombre total desdits tubes chauds dans le générateur.
5) Générateur (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre Nx' desdits tubes froids (3) dans chacune desdites Ny' nappes froides (13a, 13b) est égal ou supérieur à 6.
6) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites Ny' nappes froides (13a, 13b) sont chacune en communication fluidique avec des collecteurs (15) du liquide de refroidissement et sont adaptées pour former une source froide individualisée pour lesdits éléments thermoélectriques (2) intercalés entre deux dites nappes froides consécutives (13a et 13b) dans ledit empilement et l'un desdits tubes chauds (1 ) qui est intérieur auxdites deux nappes froides consécutives. 7) Générateur (10) selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que lesdites deux nappes froides extérieures (13b) sont chacune surmontées de moyens (14, 16) pour serrer ledit empilement qui comprennent des plaques extérieures de serrage (14) et des joints élastomères (16) de serrage, chaque joint étant comprimé entre l'une desdites plaques et un dit tube froid (3) de chaque nappe froide extérieure, ces joints étant adaptés pour compenser des défauts de planéité lors du serrage de l'empilement et pour être thermiquement conducteurs. 8) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur comprend en outre des moyens (17) pour réaliser un écran thermique qui sont montés latéralement de part et d'autre dudit au moins un tube chaud (1 ) de chacune desdites nappes chaudes (11 ) et qui sont adaptés pour réduire le rayonnement provenant dudit au moins un tube chaud vers lesdits éléments thermoélectriques (2) voisins.
9) Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (17) pour réaliser un écran thermique comprennent des éléments en acier revêtu, de préférence en acier revêtu d'un alliage aluminium-silicium.
10) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits Nx tubes chauds (1 ) de chacune desdites Ny nappes chaudes (11 ) présentent chacun en section transversale une forme sensiblement rectangulaire à deux grands côtés supérieur et inférieur (1 a) recevant deux séries supérieure et inférieure des éléments thermoélectriques (2).
1 1 ) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments thermoélectriques (2) sont constitués de plots prismatiques, par exemple parallélépipédiques ou cubiques.
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JP2013038219A (ja) * 2011-08-08 2013-02-21 Toyota Motor Corp 熱電発電装置
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