Brevet FR2226627A1 — publié le 19741115

La présente invention concerne une pompe à chaleur utilisant l'effet Peltier. On rappelle que 1? effet Peltier désigne le phénomène selon lequel, lorsqu'unie jonction entre deux conducteurs différents (métaux ou semi-conducteurs) est traversée par un courant continu, il apparat à cette jonction un dégagement ou une dissipation de calories suivant le sens du courant Pour la réalisation des pompes à chaleur on a déjà utilisé des thermoéléments à effet Peltier dont on sait que le rendement diminue rapidement lorsque l'écart de température entre leurs faces augmente. Plusieurs solutions ont déjà été pro ppsées pour améliorer l'échange de chaleur entre lesdites faces des thermoéléments et les milieux que l'on désire chauffer. On peut, en effet, munir chaque thermoélément d'une pluralité d'ailettes suffisamment grandes pour obtenir un bon échange thermique. Cette solution est peu satisfaisante, car pour obtenir de bons résultats, il faut munir les thermoéléments d'ailettes assez grandes, ce qui rend les surfaces d'échange treks encGmbrantes tout en restant d'une efficacité assez limitée. On peut aussi prévoir un circuit intermédiaire d'eau ou de tout autre fluide permettant le transfert de chaleur entre les thermoéléments et un échangeur, ceci avec un écart de température minimum. Si lton veut éviter les inconvénients d'un tel dispositif, à savoir le bruit et l'usure, on peut prévoir une circulation naturelle d'eau mais alors on perd en efficacité sur l'échange de chaleur. De plus, et cela constitue un inconvénient encore plus important, il devient alors impossible d'inverser le sens de fonctionnement de la pompe à chaleur. La présente invention concerne une pompe à chaleur de grande efficacité et de grande fiabilité, qui ne comporte pas de pièces mobiles sujettes à usure, ce qui rend par aiLleurs la pompe parfaitement silencieuse. De surcroît, le sens de fonctionnement de la pompe peut être inversé par simple changement du sens du courant électrique. La pompe r chaleur selon l'invention comporte une pluralité de tnermoéléments O effet Peltier connectés électriquement entre eux en série ou en parallèle et qui sont alimentés en courant continu de manière à établir une différence de température entre les faces desdits thermoéléments et à permettre le transfert de chaleur de la face froide vers la face chaude. les dits thermoéléments sont disposés face à face, les deux faces de même nom (c'est-à-dire deux faces froides ou deux faces chaudes) de deux thermoéléments consécutifs se trouvant en regara l'une de l'autre.Ces thermoéléments sont couplés thermiquement entre eux par l'intermédiaire de "caloducs" en contact avec les faces desdits thermoéléments et se prolongeant alternativement de part et d'autre de la paroi ainsi formée par les thermoéléments, ladite paroi séparant un premier milieu duquel la pompe extrait de la chaleur d'un deuxième milieu auquel elle fournit de la chaleur. On appelle "caloduc" un échangeur de chaleur utilisant la vaporisation et la condensation d'un fluide dont la nature et la pression sont adaptées précisément aux températures d'utilisation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les caloducs placés entre les divers thermoéléments ont une forme allongée et sont constitués en une substance poreuse dans laquelle sont ménagés des canaux de circulation de fluide qui s'étendent sur toute la longueur du caloduc de façon sensiblement parallèle à la direction principale dudit caloduc, ce dernier renfermant un fluide en phase liquide et en phase vapeur, et possédant une surface extérieure constituée d'une enveloppe étanche. Il est remarquable que le retour du fluide condensé vers la partie chaude du caloduc est assuré par des forces capillaires dans la matière poreuse remplissant l'intérieur dudit caloduc, ce qui permet donc l'inversion du sens de fonctionnement de la pompe à chaleur. Par ailleurs, on peut aussi munir les caloduos sur leur partie extérieure n'étant pas en contact avec les thermoéléments d'ailettes favorisant l'échange thermique. On décrira l'invention plus en détail ci-après en se référant aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement la disposition relative des thermoéléments à effet Peltier et des caloducs ; - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'une pompe à chaleur selon l'invention - la figure 5 resrésnte un mode de réalisation particulier de caloducs du type utilisé dans la présente invention. La pompe à chaleur selon l'invention comporte une alimentation électrique, non représentée sur les figures, fournissant un courant continu à la tension convenable et avec l'intensité suffisante pour établir entre les faces de chaque thermoélément une différence de température, et permettant ainsi de transférer de la chaleur de la face froide vers la face chaude. Le matériau thermoélectrique utilisé pour la réalisation des thermoéléments à effet Peltier peut etre, par exemple, un alliage quaternaire tellium, bismuth, sélénium et antimoine. Le tellurure de bismuth (di2 Te) s'avère également parfaitement convenable pour la confection de thermoéléments, il possède, en effet, à température ordinaire un pouvoir thermoélectrique élevé, une résistivité électrique et une conductîbilité thermique faibles. L'isolement du couple thermoélectrique et des faces chaudes et froides est réalisé par exemple au moyen de plaques de céramique métallisée assurant une grande rigidité diélectrique ainsi qu'une excellente conductibilité thermique. La pompe à chaleur selon l'invention comporte une pluralité de thermoéléments à effet Peltier connectés électriquement entre eux soit en série, soit en parallèle; Sur la figure 1 qui représente la disposition relative des thermoéléments et des caloducs ainsi que sur la figure 2 qui illustre un exemple de réalisation d'une pompe à chaleur selon l'invention les mêmes réferences désignent les mimes éléments. Les faces froides de deux thermoéléments 1 consécutifs sont placés de part et d'autre d'un caloduc 7 qui extrait de la chaleur à un écoulement d'air traversant un caisson 4. De fa çon identique les faces chaudes 5 de deux thermoéléments 1 con sécutifs sont placés de part et d'autre d'un caloduc 6, identi- que au orécéaent, qui cède de la chaleur à un écoulement d'air traversant le caisson 7. Comme le montrent les figures 1 et 2, les therm;) lénents t sont disposés face à face, les faces de même température de deux thermoéléments consécutifs se trouvant en regard l'une de l'autre. Lesdits thermoéléments 1 sont couplés mecaniquement entre eux par l'intermédiaire de caloduvs 3 et 6 en contact avec les faces desdits thermoéléments 1, et se prolongeant alternativement de part et d'autre de la paroi 8 ainsi formée.Ladite paroi 8 établit donc une séparation entre le caisson 4 duquel la pompe extrait de la chaleur et entre le caisson 7 à qui elle cède de la chaleur. La circulation de l'air dans les caissons 4 et 7 peut être ascendante ou descendante. Le sens indiqué par les flèches de la figure 2 peut être inversé dans l'un ou l'autre des caissons 4 et 7. Par ailleurs, il est remaruable que par simple inversion du sens du courant alimentant les thermoéléments, la pompe à chaleur peut être utilisée soit pour refroidir, soit pour réchauffer par l'intermédiaire d'un écoulement forcé ou naturel un local ou un ensemble de locaux. Dans pareil cas, la source ou le puits de chaleur est constitué soit par l'air extérieur soit par l'air ambiant du local nouveau. La figure 3 illustre un mode de réalisation de caloducs constitués d'une enveloppe 10 étanche rectangulaire ou autre qui est remplie d'une substance poreuse Il dans laquelle sont ménagés des canaux de circulation de fluide 12 de forme circulaire ou autre. le caloduc renferme un fluide en phase liquide et en phase vapeur simultanément.Au voisinage de la paroi chaude, il s'établit une vaporisation du liquide qui tend alors à occuper tout le volume des canaux de circulation 12. A l'approche de la paroi froide, la vapeur circulant dans les canaux 12 se condense, puis après condensation le liquide pénètre dans la matière poreuse 11 par capillarité. Ceci provoque une augmentation de concentration en liquide au voisinage de la face froide, par ailleurs, la concentration en liquide au voisinage de la face chaude ayant diminué suite à la vaporisation, il se crée un déplacement du liquide de la paroi froide vers la paroi chaude par capillarité dans la matière poreuse lt. Il s'établit ainsi un régime de circulation de liquide et de vapeur dans le caloduc dont il faut préciser tlue la conductivité apparente est d'un ordre de grandeur supérieur à celle du cuivre.Ce caloduc est donc un échan geur qui utilise la vaporisation et la condensation d'un fluide dont la sature et la pression doivent être choisies en fonction des températures d'utilisation. Dans une pompe à chaleur selon l'invention on pourra, par exemple, utiliser l'eau ou l'amoniaque comme fluide remplissant les caloduca. Je fanon avntageuse, la partie des parois externes des caloducs n'étant pas en contact avec les thermoéléments est munie d'ailettes 15 permettant d'améliorer les échanges de chaleur. L'utilisation de caloducs tels que décrits précédemment pour la réalisation d'une pompe de chaleur selon l'invention permet donc d'éviter toutes pinces mobiles et, l'inversion des parties chaudes et froides de la pompe est obtenue par simple inversion du courant. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus, et de nombreuses variantes, fonctions easentiellement des performances que l'on veut atteindre, sont possibles sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Pompe à chaleur du type comportant une pluralité té de thermoéléments à effet Peltier connectés électriquement entre eux et alimentés en courant continu de manière à établir une différence de température entre les faces desdits thermoéléments et à permettre le transfert de chaleur de la face froide vers la face chaude de chaque thermoélément, ladite pompe comportant un compartiment chaud et un compartiment froid séparés l'un de l'autre par une paroi incorporant la pluralité de thermoéléments à effet Peltier, caractérisée par le fait que les faces chaude et froide des thermoéléments sont couplées thermiquement à l'extrémité de calôducs se prolongeant respectivement dans les compartiments chaud et froid de la pompe de chaleur. 2. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les thermoéléments sont disposés face à face, les faces de méme nom de deux thermoéléments consécutifs se trouvant en regard l'une de l'autre et que entre deux faces chaudes consécutives et deux faces froides consécutives sont inserrés des caloduos qui débouchent alternativement et respectivement dans le compartiment chaud et dans le compartiment froid de la pompe à chaleur. 3. Pompe à chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les caloducs s'étendent perpendiculairement à la paroi incorporant les thermcéléments et séparant entre eux les compartiments chaud et froid. 4. Pompe à chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les caloducs, de forme générale allongée, placés entre les divers thermoéléments présentent une surface extérieure constituée d'une enveloppe étanche à l'intérieur de laquelle se trouve une substance poreuse,lesditscaloducsrenfer- mant chacun un fluide en phase liquide et en phase vapeur, caractérisée par le fait que dans ladite substance poreuse sont ménagés des canaux de circulation de fluide qui s'étendent sur toute la longueur du caloduc de façon sensiblement parallèle à la direction dudit caloduc. 5. Pompe à chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les caloducs sont munis, sur leur partie extérieure n'étant pas en contact avec les thermoéléments, d'ailettes favorisant l'échange thermique. 6. Pompe à chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que les divers éléments constitutifs de la pompe à chaleur sont agencés de façon symétrique de manière à permettre la réversibilité du fonctionnement de ladite pompe par simple inversion du sens du courant électrique.