Brevet FR2011442A1 — publié le 19700227

l. 2011442 La présente invention concerne un dispositif thermo-électrique et plus précisément un générateur de ce type dans lequel les éléments thermo-électriques et les éléments de liaison sont interconnectés él«ccriquenieat par compression. 5 Un type de générateur thermo-électrique particulièrement intéressant a la forme d'un cylindre creux dans lequel la chaleur est fournie à la surface interne et évacuée par la surface externe. Jusqu'ici, ce type de générateur posait des problèmes de fixation des éléments thermo-électriques aux éléments de liaison dont 10 le rôle est de les interconnecter en un générateur thermo-électrique. Ce problème peut être résolu par l'emploi d'une matière de liaison métallurgique mais cette solution est coûteuse et crée des difficultés lorsqu'il y a un léger glissement radial dû aux dilatations et aux contractions continuelles provoquées par les variations extrêmes de températures. La 15 liaison métallurgique pose un autre problème qui est le choix de la matière constitutive des éléments thermo-électriques et des éléments de liaison qui doit être compatible avec la matière de liaison métallurgique. Il arrive ainsi que l'on perde de la puissance du fait des caractéristiques thermiques ou électriques médiocres de la matière utilisée, ou du fait de la liaison 20 elle-même. Ce problème peut être résolu dans un générateur thermoélectrique cylindrique assemblé par compression et constitué par plusieurs éléments thermo-électriques connectés en série en une configuration annulaire, un contact électrique positif étant assuré entre ces éléments sans 25 l'emploi d'aucune matière de liaison. Un tel générateur est composé d'enveloppes intérieure et extérieure entourant un sous-ensemble dont les dimensions intérieure et extérieure sont plus grandes que la différence entre les dimensions intérieures de l'enveloppe extérieure et les dimensions extérieures de l'enveloppe intérieure. Le sous-ensemble comprend les éléments 30 thermo-électriques et les éléments de liaison nécessaires à là constitution du circuit thermo-électrique. Ce mode d'assemblage permet aux pièces de se déplacer radialement sans perturber le contact et entraîne une économie considérable dans la construction du dispositif. Il permet en outre de choisir les 35 matières constitutives des éléments thermo-électriques et des éléments de couplage dans une gamme très vaste sans qu'il soit question de leurs propriétés d'adhérence. On peut ainsi utiliser en toute liberté les éléments 69 20847 2 2011442 thermo-électriques ayant le meilleur rendement et des éléments de liaison à haute conductivité, tout en éliminant les pertes électriques et thermiques dues aux liaisons métallurgiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 5 ressortiront de la description détaillée qui va suivre et de la figure unique du dessin qui représente; ■ en coupe transversale un générateur cylindrique auquel est appliquée la présente invention. Un cylindre métallique interne 10 constitue la paroi intérieure du générateur et le relie à une source thermique (non repré-10 sentée) telle qu'une capsule de radio-isotope combustible ou un réacteur nucléaire dans lequel le cylindre 10 est incorporé dans une boucle de métal liquide ou constitue la paroi extérieure d'un tube d'échange thermique. Si l'on n'utilise pas de milieu de transfert thermique intermédiaire, le cylindre 10 peut constituer la paroi extérieure de la capsule de radio-15 isotope combustible. En variante, le cylindre peut être adapté autour d'un brûleur lorsqu'on utilise un combustible naturel comme source de chaleur. La matière du cylindre 10 doit être compatible avec le milieu d'échange thermique utilisé dans l'application particulière. Son diamètre qui dépend du type de transfert thermique utilisé est généralement déterminé par 20 optimisation détaillée des performances du système. La paroi du cylindre 10 doit être suffisamment épaisse pour résister aux fortes pressions et suffisamment mince pour n'entraîner qu'une faible chute de température dans le flux thermique radial. Un cylindre isolant 12 est réalisé en une matière 25 isolante telle que l'alumine, la glucine ou le nitrure de bore et son diamètre intérieur est exactement égal au diamètre extétieur du cylindre interne 10, Le tube isolant est divisé en deux ou plusieurs parties, comme illustré en 13, pour faciliter son montage autour du cylindre 10. Les caractéristiques d'isolement du cylindre 12 permettent d'isoler élec-30 triquement le circuit thermo-électrique décrit en détail ci-après du cylindre interne 10. Un certain nombre d'éléments de connexion côté chaud 14a-f, -possédant de bonnes caractéristiques de conduction électrique et constituant des secteurs cylindriques égaux d'un diamètre intérieur égal 35 au diamètre extérieur du cylindre isolant 12 sont disposés autour de ce dernier. Le nombre de ces éléments de couplage côté chaud est égal- au nombre de thermocouples de type n vers p ou à la moitié dû nombre d'élé 69 20847 3 2011442 ments individuels constituant le générateur. Les éléments de liaison 14a_ à 14f servent à.interconnecter les électrodes chaudes des thermo-éléments de type n et de type p 16^ à 161_. Les éléments thermo-électriques 16a_ à 161_ de section 5 trapézoïdale comme illustré sur la figure ou en forme de secteurs radiaux d'un cylindre creux, sont assemblés autour des éléments de liaison côté chaud 14a à 14f. Dans le premier cas, de minces pièces de transition côté chaud 18a à 181 sont placées sur le côté chaud des éléments 16a_ à 161_ pour maintenir un contact intime avec les éléments de liaison 14a à 14f_. Les pièces 10 de transition 16a à 161_doivent être chimiquement compatibles avec la matière des éléments thermo-électriques 16a_à 161_ et doivent posséder de bonnes caractéristiques de conduction électrique et thermique. Ces pièces peuvent être fixées ou non par liaison métallurgique aux éléments thermoélectriques 16a_ à 161_. Lorsque la matière thermo-électrique est dure et 15 cassante, il est préférable que les pièces de transition 16a à 161_ soient en une matière souple et ductile pour assurer un bon contact entre les éléments 16ia à 161_ et les éléments de liaison côté chaud 16a à lôf. lorsque la structure est soumise à des efforts importants de compression. Le nombre de pièces de transition 16a_ à 161 est égal au nombre d'éléments thermo-20 électriques individuels 16a_ à 161_. Lorsque ces derniers sont des secteurs de cylindre creux, les pièces de transition ne sont plus nécessaires mais peuvent néanmoins être conservées. Les pièces de transition 18a^ à 181^ lorsqu'elles sont utilisées, doivent avoir un rayon intérieur exactement égal au rayon 25 extérieur des éléments de connexion côté chaud 14a_ à 14f_. Si l'on n'utilise pas de pièces de transition, le rayon intérieur des éléments thermo-électriques 16a à 161 doit être exactement égal au rayon extérieur des éléments de liaison côté chaud 14a_ à 14f_. Plusieurs éléments de liaison côté froid 20a à 20e 30 ayant des caractéristiques similaires à celles des éléments de liaison côté chaud 14a_à 14f, sont disposés autour des éléments thermo-électriques 16b à 16k et ont une forme de secteur de cylindre creux. Dans le cas où les éléments thermo-électriques 16a_ à 161_ ont des sections trapézoïdales, comme représenté sur la figure, il est nécessaire de prévoir des pièces 35 de transition côté froid 22a_ à 221_ dont le diamètre extérieur est exactement égal au diamètre intérieur des éléments de liaison côté froid 20a à 20e. Les pièces de transition 22a^ à 221_ ont des caractéristiques identiques à 69 20847 4 2011442 celles des pièces de transition 18a à 181_ et remplissent exactement le même rôle. Si les éléments thermo-électriques sont des secteurs de cylindre creux, il est possible de supprimer les pièces de transition côté froid auxquel cas le diamètre intérieur des éléments de liaison côté froid 20a 5 à 20e doit être égal au diamètre extérieur des éléments thermo-électriques. Le nombre d'éléments de liaison côté froid 20a_ à 20e_ est égal à la moitié du nombre d'éléments thermo-électriques moins un. Soit un de moins que le nombre d'éléments de liaison côté chaud 14â à 14f_. Le côté froid des éléments thermo-électriques 16a à 161 comporte en outre 10 deux bornes de sortie 24a^ et 24b_ dont les caractéristiques sont identiques à celles des éléments de liaison côté froid 20a^ à 20e^ et qui sont des secteurs du même cylindre creux que celui défini par ces éléments. Cependant la longueur périphérique de chacune des bornes de sortie 24a et 24b est approximativement la moitié de la dimension correspondante des éléments 15 de liaison côté froid 24ji à 24 Le nombre d'éléments thermo-électriques entrant dans la configuration cylindrique dépend de facteurs tels que les limitations 20 de fabrication des lingots de matière thermo-électrique et de la conception du système thermo-électrique pour une application donnée. Bien que la figure représente douze éléments thermo-électriques 16a_ à 161_, ce nombre peut être modifié -en fonction des facteurs ci-dessus. Les éléments thermoélectriques 16a à 161 sont étroitement ajustés les uns aux autres autour 25 de la périphérie pour réduire les circuits shunt thermiques. Des entretoises isolantes 26a à 261, par exemple des bandes d'alumine, de glycine ou de mica, séparent les éléments individuels 16a^ à 161_ pour éviter d'éventuels courts-circuits et, pour cette même raison, se prolongent au~ delà des éléments thermo-électriques dans les intervalles séparant les 30 éléments de liaison des côtés chauds et froids, 14a^ à 14£ et 20a_ à 20£ ainsi que les bornes de sortie 24^ et 24b^. Les éléments thermo-électriques 16a à 161 sont présents en nombre pair ét en alternance du type n et du type p. Les éléments thermo-électriques 16a à 161, les éléments 35 de liaison côté chaud 14a_ à 14£, les éléments de liaison côté froid 20a à 20e_ et les bornes de sortie"24a à 24b sont disposés de manière à constituer un circuit électrique en"série entre les bornes 24a et 24b. Cette 69 20847 5 2011442 disposition sera appelée dans ce qui suit "le circuit thermo-électrique". Plus précisément, la borne de sortie 24a_ est reliée au côté froid d'un élément thermo-électrique 16ja d'un certain type de conductivité. les côtés chauds de l'élément 16 Il est à noter que le décalage angulaire de chaque élément thermo-électrique 16a^ à 161_ est constant de même que le décalage angulaire des éléments de liaison côté chaud et côté froid 14a^ à 14f_ et 15 20a à 20e, bien que la position de ces derniers soit décalfe de la largeur d'un élément thermo-électrique par rapport aux éléments de liaison côté chaud 14ja à 14f_. Le cylindre formé par les bornes de sortie 24a s 24b, les éléments de liaison côté froid 20a^ 20e^ et les entretoises 26a, 26b 20 est entouré d'un second cylindre isolant 28 en une matière telle que l'alumine, la glucine, ou le nitrure de bore qui isole électriquement le circuit thermo-électrique de l'environnement extérieur. Le diamètre intérieur du cylindre isolant 28 est exactement adapté au .diamètre extérieur des éléments de liaison côté froid 20a^ à 20e_ et des bornes 24a^, 24b_. Le 25 cylindre 28 est divisé longitudinalement en deux ou plusieurs sections, comme illustré en 29. Les sections du cylindre 28 sont entourées par un cylindre métallique creux 30 dont le diamètre intérieur est exactement égal au diamètre extérieur des sections du cylindre isolant 28. Le cylindre 30 30 relie le dispositif à un système d'évacuation de la chaleur ou peut constituer une séparation entre deux étages d'un système thermo-électrique à plusieurs étages. Le cylindre 30 peut par exemple former la paroi interne d'une boucle de réfrigérant liquide 32 formée par un cylindre creux à double paroi, comme illustré sur la figure. Les deux parois sont reliées 35 par des nervures 34. En variante, il est possible de pourvoir la surface extérieure du cylindre 30 d'ailettes de rayonnement permettant l'évacuation directe de la chaleur perdue par radiation et/ou convection.Dans les 69 20847 6 2011442 dispositifs thermo=électriques à plusieurs étages, le cylindre 30 constitue la limite entre deux étages. Une structure identique à celle décrite plus haut peut donc être disposée autour du cylindre 30 pour constituer le second étage. Si nécessaire, le cylindre 30 peut être divisé longitudina-5 lement en deux ou plusieurs sections pour améliorer les caractéristiques de compression de l'ensemble du dispositif. Les deux étages sont généralement formés de matière thermo-électrique différente, chacun utilisant la matière dont les performances sont les mieux adaptées à sa plage de température de fonctionnement. Si on le désire, il est possible d'ajouter 10 d'autres étages similaires au dispositif. Le dispositif décrit est réalisé à partir de pièces usinées à des tolérances très précises et dont le fini de surface est tel que l'ajustage entre les composants adjacents soient de bonne qualité. Toutes les pièces, à l'exception du cylindre interne 10, sont assemblées 15 à l'intérieur du cylindre externe 30 comme décrit plus haut. Le cylindre 10 est finalement enfilé dans l'ensemble pour compléter le dispositif. En pratique, il s'est généralement avéré impossible d'usiner les pièces à des dimensions exactes et le cylindre 10 ne coulisse pas simplement dans l'ensemble. Dans ce cas, le diamètre du cylindre 10 est temporaire-20 ment réduit en le plongeant dans un gaz liquide, tel que l'azote ou l'hélium. Le cylindre est ensuite enfilé dans l'ensemble, éventuellement à l'aide d'une machine à percer. Lorsque le cylindre 10 se réchauffe à la température ambiante, il vient en contact intime avec le reste de l'assemblage qu'il soumet généralement à une légère compression. Pour 25 obtenir une compression plus importante, il suffit d'usiner le diamètre extérieur du cylindre 10 à une valeur légèrement supérieure au diamètre intérieur du cylindre isolant 12, puis à emmancher thermiquement le cylindre 10 comme dans le cas précédent. En variante, l'assemblage initial peut se faire autour du cylindre 10 et le cylindre 30 peut être en dernier 30 lieu chauffé jusqu'à obtenir la dilatation voulue, puis enfilé sur l'ensemble et, lorsqu'il se refroidit à la température ambiante, il se contracte autour du dispositif et le place sous une charge compressive. On peut accroître la force de compression en réalisant le diamètre intérieur du cylindre 30 à une valeur légèrement inférieure au diamètre extérieur 35 du cylindre isolant 28. Pour obtenir un contact électrique et thermique aussi bon que possible entre les composants adjacents, de minces feuilles de 69 20847 7 2011442 matière molle ou ductile peuvent être interposées entre les surfaces en regard de manière que lorsque la compression est appliquée, le fluage de ces matières comble tous les vides éventuellement dus à un ajustage imparfait des pièces. On notera cependant qu'il faut prendre soin d'éviter 5 de court-circuiter des thermocouples adjacents par l'interposition d'une feuille métallique. En outre, les matières doivent être choisies en vue d'obtenir de bonnes liaisons métallurgiques entre les composants adjacents aux températures élevées de fonctionnement. La longueur axiale du dispositif est déterminée par 10 le rapport tension-courant de la puissance de sortie. Un générateur long fournira généralement de basses tensions et de fortes intensités avec une puissance de sortie proportionnellè à la longueur. Inversement, un générateur court fournira à partir de températures chaudes et froides identiques une cension sensiblement égale mais une intensité plus faible 15 et par conséquent une puissance de sortie plus faible. Plusieurs générateurs courts reliés en série auront généralement la même puissance de ' sortie qu'un générateur long de longueur égaie à leur longueur combinée, mais une tension plus élevée et une intensité plus faible. Pour une longueur totale et une puissance de sortie données,il est possible d'obtenir 20 toute valeur de tension en réalisant le dispositif sous la forme d'un nombre approprié de segments courts assemblés autour d'un cylindrè interne commun. Les segments individuels peuvent être connectés électriquement en série ou en parallèle et, miss à part les connexions électriques, sont isolés les uns des autres par des entretoises. Les segments indivi-25 duels peuvent être si nécessaire assemblés dans un cylindre externe commun. Ce sont principalement les diamètres et les matières constitutives des cylindres interné et externe, ainsi que les températures de fonctionnement chaudes et froides, qui déterminent la charge compressive 30 à laquelle est soumis le dispositif. Aucun des autres éléments ne constitue un cylindre complet et il contribue relativement moins à la charge, ce qui leur permet de se déplacer radialement au fur et à mesure de la dilatation des cylindres interne et externe. La dilatation Ad dés cylindres interne et externe sous l'action du chauffage peut être déterminée par 35 l'équation suivante ; AD = D * * " AT 69 20847 a 2011442 D étant le diamètre du cylindre considéré, son coefficient de dilatation et -AT la différence de température entre sa température de fonctionnement et la température ambiante. Pour maintenir le dispositif sous compression, il est nécessaire que le cylindre interne et les dimensions radiales des 5 composants compris entre les deux cylindres se ditatent pins que le cylindre externe. En choisissant de manière convenable les diamètres et les matières des cylindres interne et externe, il est relativement simple de réaliser un dispositif soumis à une charge compreœLvfe sur n'importe 10 quelle plage donnée de température. En outre, la charge compressive peut être déterminée et le dispositif réalisé en conséquence. Il est donc possible de fabriquer un tel générateur qui est en compression à tout moment, même lorsqu'il est de manière isotherme à la température ambiante, en établissant la compreEsLon au moment de la fabrication. Le choix des matières 15 et des diamètres des cylindres interne et externe permet d'obtenir une charge compressive fixe, croissante ou décroissante, lorsque le dispositif est amené à ces températures de fonctionnement. Normalement, la charge maximale admissible est déterminée d'après la résistance de la matière thermo-électrique à la compression et les limites élastiques des diffé-20 rentes matières. Sous réserve qu'on ne dépasse les limites élastiques des composants principaux du dispositif, ce dernier peut sans inconvénient subir des cycles de température entre $es températures de fonctionnement et la température ambiante sans aucun desserrage de ses composants. La limite inférieure de la charge est fixée par la qualité des contacts ther-25 miques et électriques qui croît généralement avec la compression. Il faut également tewir compte du fluage des différentes matières sous la charge. Selon les températures de fonctionnement et la matière thermo-électrique utilisée, les extrémités du générateur peuvent être obturées par un capuchon nervuré soudée au cylindre interne et externe. 30 Les nervures permettent la dilatation et la contraction du dispositif sans risque de rupture du capuchon. Le dispositif peut ainsi être rendu hermétique et, si nécessaire, mis sous pression positive par introduction d'un gaz inerte quelconque. La paroi du capuchon d'extrémité est suffisamment-mince pour constituer un shunt thermique négligeable. De plus, les 35 capuchons d'extrémité peuvent être séparés des éléments thermo-électriques adjacents par une isolation électrique et thermique. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans sortir de son cadre. 69 20847 9 2011442 REVENDICATIONS 1. Générateur thermo-électrique cylindrique assemblé par compression comportant un certain nombre d'éléments thermo-électriques en série disposés selon une configuration annulaire sans nécessiter une matière de liaison pour maintenir un contact électrique positif entre les 5 éléments connectés, ledit générateur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : une enveloppe annulaire externe, une enveloppe interne dont les dimensions extérieures sont plus petites que les dimensions intérieures de 1'enveloppe externe, et un sous-ensemble annulaire à deux bornes de sortie, la différence entre les dimensions intérieure et extérieure dudit 10 sous-ensemble étant supérieure à la différence entre la dimension intérieure de l'enveloppe externe et la dimension extérieure de l'enveloppe interne, de manière que ledit sous-ensemble puisse être comprimé entre lesdites enveloppes interne et externe, le sous-ensemble étant constitué par plusieurs éléments thermo-électriques et des éléments de liaison, 15 deux desdits éléments thermo-électriques étant reliés aux deux bornes de sortie, les éléments thermo-électriques et les éléments de liaison formant un. circuit thermo-électrique en série entre lesdites bornes, le contact électrique positif entre les éléments ther ©-électriques et les éléments * de liaison étant assuré par ladite compression. 20 2. Générateur thermo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-ensemble comprend en outre une isolation intérieure et une isolation extérieure, l'isolation intérieure servant à isoler électriquement les éléments thermo-électriques et les éléments de liaison de l'enveloppe interne et l'isolation extérieure servant à isoler 25 électriquement les éléments thermo-électriques et les éléments de liaison de l'enveloppe externe. 3. Générateur thermo-électrique selon la revendication 1, ou la revendication 2, caractérisé en ce que le sous-ensemble comprend en outre une isolation séparant les éléments thermo-électriques et les éléments 30 de liaison les uns des autres. 4. Générateur thermo-électrique selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'enveloppe interne est alimentée en chaleur et en ce que l'enveloppe externe comprend un dispositif d'évacuation de la chaleur. 69 20847 10 2011442 5, Génarateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications ci^dessus, caractérisé en ce que l'enveloppe externe et le sous-ensemble ont la forme d'un cylindre creux et en ce que l'enveloppe interne a la forme d'un cylindre. 5 6. Générateur thermo-électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la connexion électrique positive entre les éléments thermo-électriques et les éléments de liaison se fait à travers une matière bonne conductrice de la chaleur et de l'électricité.