Brevet FR2274142A1 — publié le 19760102

Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est connu depuis longtemps : on prélève des calories à une source froide, grâce à un apport de travail, et on les restitue, à une température supérieure-, au milieu à chauffer, et vice-versa dans le cas où la pompe est utilisée pour refroidir, cas du réfrigérateur ou du climatiseur par exemple. A la différence des pompes à chaleur thermodynamiques, les pompes à chaleur strictement thermo-électriques fonctionnent sans compresseur ni circulation de fluide auxiliaire. Leur principe relè- ve de l'effet Peltier suivant lequel le passage d'un courant continu dans un circuit formé de conducteurs ou semi-conducteurs de nature différente entratne un refroidissement ou un échauffement à la jonction des conducteurs, suivant le sens du courant. Des pompes à chaleur basées sur l'effet Peltier ont été réalisées sous forme de batteries dans lesquelles sont soudés alternativement des couples d'éléments de natures différentes, c'est-à- dire dont les pouvoirs thermo-électriques sont de signes opposés des soudures successives sont groupées alternativement au voisinage de deux surfaces ; en maintenant l'une de ces surfaces à une température constante, la température de l'autre varie avec du courant, dans un sens qui dépend du sens du courant. L'exploitatiww de cet effet a psbs de réaliser des installations de chauffage de semaconsommant seulement 30% de la puissance thermique installée antérieurement pour le mime chauffage. Cependant, un inconvénient majeur de ces pompes à chaleur est leur prix de revient. L'objet de l'invention est précisément de supprimer cet inconvénient. En effet, l'utilisation des pompes thermo-électriques a été jusqu'ici essentiellement limitée aux applications où la consom- mation d'énergie et le poids sont des facteurs déterminants (réiri- gérateur portatif, matériel aéroporté, ou médical), le prix de revient de ces pompes étant relativement élevé du fait que chaque couple ou thermo-élément devait être soudé délicatement, pièce par piè- ce, après avoir été étamé, et avec des soudures très spéciales. La présente invention a pour objet une pompe à chaleur thermo-électrique e > mpts dt soadxre La pompe à chaleur selon l'invention, mettant en jeu l'ef- fet Peltier, est constituée d'un ensemble de thermo-éléments, c'est- à-dire Ce couples d'éléments conducteurs, les deux éléments d'un couple étant de natures différentes, et d'éléments radiants associés elle est caractérisée par un système de couplage électrique et thermique des éléments par simple pression, sans soudure. A cet effet, des éléments conducteurs électriques et thermiques sont réalisés par dépit électrolytique ou par lamifiage sur un support isolant électriquement et conducteur thermiquement ; la couche déposée, ou lamifiée et collée, est gravée ; les thermo-éléments sont pressés entre les éléments conducteurs formés sur deux supports parallèles, les éléments conducteurs réalisant des ponts de connexion entre les deux conducteurs d'un thermo-élément et entre thermo-éléments. Les éléments radiants sont en contact intime avec les faces opposées des supports, qui sont métallisées pour assurer une meilleure conduction thermique. L'ensemble forme un sandwich maintenu par pression. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la revendication qui suit et en se reportant aux figures parmi lesquelles La figure 1a est une vue en perspective d'une batterie suivant l'invention et la figure 1b est une vue partielle agrandie d'une partie de la figure 1 les figures 2, 2b et 3a , 3b sont des vues de face et en coupe de la batterie après enlèvement d'une partie de ses élements la figure 4 est une vue encoupe de la figure 1 ; et les figures 5 montrent en vue de face et en coupe un élément de montage de la batterie. La pompe de chaleur selon l'invention se présente sous la forme compacte d'un sandwich, représenté figure 1a, dont les divers éléments sont maintenus en contact par serrage, les vis ou boulons de serrage, enlevés pour ne pas surcharger la figure, étant mis en place dans les alésages 10 prévus à cet effet. Tout autre moyen de serrage connu convient également. Les éléments actifs ou thermo-éléments A sont placés dans la partie centrale du sandwich. Chacun d'eux est constitué d'un couple de conducteurs ou semi-conducteurs différents thermo-électriquement, par exemple, ce sont des éléments du type Ces éléments sont placés entre les supports B1 et B2 dont les armes, d'épaisseur de l'ordre de quelques mm par exemple, sont constituées d'un matériau isolant électriquement, bon conducteur thermique et résistant à la compression, par exemple du verre époxy qui présente en outre l'davantage d'une certaine élasticité dans le sens transversal, élasticité dont on verra l'utilité plus loin. La figure 1b, qui est une vue agrandie de la partie de la figure 1 entourée de traits discontinus, montre plus en détail les supports B1 et B2 : sur leurs faceskournées vers les thermo-éléments A, ces supports sont recouverts de couches métalliques paisses et discontinues, respectivement Bla et B2,, formant des éléments conducteurs distincts sur la disposition et la réalisation desquels on reviendra plus loin ; sur les faces opposées sont déposées de minces pellicules métalliques Blb et B2b, d'épaisseur de l'ordre de 70 mi cron par exemple ; contre ces pellicules sont placés les éléments radiants 91 et D2 dont le rôle est essentiellement soit de transmettre de la chaleur par rayonnement ou conduction à un élément d'utilisation, soit de maintenir, par conduction thermique ou absorption, l'une des plaques à la température constante d'une source froide ou chaude non représentée. De minces feuilles de caoutchouc C1 et C2 (épaisseur de l'ordre du mm), peuvent titre avantageusement insérées entre les éléments radiants et les supports pour assurer une meilleure surface de contact lorsque l'élasticité des supports et des couches métalliques ne suffit pas à rattraper entièrement l'irrégularité de l'épaisseur des thermo-éléments ét des supports. L'intensité du courant prévue est un facteur déterminant de l'épaisseur de la couche gravée, dont la résistance doit être aussi faible que possible afin de minimiser les pertes par effet Joule. Par exemple, pour une intensité de 63 ampères, on adoptera une épaisseur de cuivre de l'ordre de 7/10 de millimètre pour des surfaces de contact avec les thermo-éléments dé l'ordre de 10 mm x 10 mm. En fonctionnement, l'un des éléments radiants est maintenu par tout moyen connu à une température sensiblement constante (par exemple, contact avec l'air ambiant, ou avec un liquide en ébullition, ou encore avec une nappe phréatique), tandis qu'une source de courant continu S est couplée aux extrémités de l'un des supports de manière que les thermo-éléments soient couplés en série aux bornes de la source. On notera que la figure 1b n'est pas à l'échelle, les pellicules Blb et B2b étant de l'ordre de la centaine de micron (70 p dans l'exemple cité) alors que l'épaisseur des thermo-éléments est de l'ordre du millimètre (1,5 mm notamment) et ce'le de l'âme des supports de l'ordre de plusieurs millimètres. Enfin, on ï représenté en traits discontinus E une grille ltcultative qui peut être utilisée pour la mise en place des éléments. vantageusement, les pellicules et les couches arvées seront réaliees an cuivre-mét2l à la fois bon conducteur thermique et électrique, et présentant une certaine élasticité ;assurant un meil leur contact au serrage, en coopération avec l'élasticité de l'ame B1, B2 du support. Bien qu'il soit pratiquement plus avantageux de réaliser les éléments conducteurs Bia et B2a par dépôt électrolytique et gravure, 11 invention n'est évidemment pas limitée i ce mode de réalisation. Outre l. réalisation par collage d'un lamifié ensuite ravé, déjà mentionné, tout autre mode de réalisation peut être utilisé, tel que, par exemple, : dépôt électrolytique sans gravure, en utilisant un masque, ou collage avec grille de positionnement d'éléments lamifiés distincts. Dans le cas de la réalisation du réseau de connexions par gravure, si la couche de cuivre doit être épaisse, il peut être avantageux de réaliser la gravure après dépôt de seulement une fraction de l'épaisseur nécessaire, et d'augmenter l'épaisseur par un second dépôt après gravure. Les circuits gravés B la e t B2a devant assurer la connexion alternative des thermo-éléments ne sont en général pas tout-à-fait identiques. Cependant, par souci de standardisation, on peut réaliser des circuits identiques, plus grands, dans lesquels on découpe par des décalages différents de circuits différents. Les figures 2a et 3a représentent respectivement des exemples de circuits gravés Bia et B2a de la figure 1 vus respectivement suivant F1 après enlèvement des parties A, B2, C2 et D2 et suivant F2 après enlèvement des parties A, B1, C1 et D1. Les figures 2b et 3b sont des vues en coupe des supports B1 et B2 suivant xx et ld figure 4 est yxzt Unc vue en coupe de l'ensemble de la ompe ou batterie suivant yy. Sur toutes les figures, les mêmes repères indiquent les mêmes éléments. Afin de montrer plus clairement commendes circuits gravés B la et B 2a réalisent les jonctions entre thermo-éléments, on a représenté figures 3a et 3b en pointillés, quelques uns des thermo-clé- ments, repères A1, A2, ..., À49, A50. Chaque thermo-élément comporte deux constituants, référencés a et b de nature thermo-électrique différente. La connexion des deux éléments a, b d'un même thermoélément Ai (i = 1, 2 ... n où n = 50 ici) est réalisée par un des éléments conducteurs gravés B2ai (i = 1, 2 ... n), tandis que celle de deux éléments b, a appartenant à deux thermo-eléments successifs est réalisée par un des éléments conducteurs B1 j (;i = 1, 2 ... n + 1), le piefflier et le dernier de ces éléments étant couplés, comme représenté, ex bornes d'un générateur S de courant continu. Les jonctions a > b constituent l s jonctions d'une première nature et les jonctions b H a con tituent les jonctions d'une seconde nature. Ces jonctions peuvent titre dites respectivement "chaudes" et froides pour un sens de courant donné, et vice-versa pour le sens opposé. La représentation des thermo-éléments est très schématique et limitée à ce qui est nécessaire à la compréhension de i 'in- vention, tous thermo-éléments susceptibles de présenter l'effet Peltier convenant sous réserve que leurs dimensions soient compatibles avec la réalisation de la batterie suivant l'invention et que leurs performances (rapport variation de température, énergie dissipée) soient compatibles avec l'application envisagée. Pour éviter, à l'usage, l'apparition d'oxydation à la jonction des thermo-éléments, les surfaces conductrices B1a et B2a devront être traitées de façon appropriée, par exemple par réalisation d'une dorure électrolytique. Le positionnement des thermo-éléments A entre les pièces B1 et B2 peut entre avantageusement réalisé au moyen d'une grille de positionnement E telle que représentée schématiquement,figur.s5 et 5b. Cette grille peut par exemple être découpée mécaniquement ou chimiquement dans un matériau approprié, c'est-à-dire isolant électriquement et de préférence également isolant thermiquement ; elle pourra aussi être réalisée par injection dans un moule ; l'épaisseur de la grille doit dans tous les cas & tre inférieure à celle des thermoéléments, par exemple de l'ordre de la moitié de ceux-ci. L'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté. Notamment, certains des éléments cités et/ou représentés peuvent être supprimés ou réalisés différemment. Ainsi, par exemple, les pellicules métallisées Bib, B2b peuvent outre supprimées aux dépens de la qualité du contact thermique; l'utilitd des couches de caoutchouc E1, E2 dépend des tolérances obtenues sur les différentes épaisseurs en jeu ; la grille de positionnement peut être supprimée aux dépens de la rapidité et de la précision du montage. Dans tous les cas, l'essentiel étant que de chaque c8té, un seul et même support assure par simple pression l'interconnexion électrique des thermo-éléments et leur couplage thermique aux éléments radiants. L'invention est particulièrement intéressante pour les climatiseurs individuels, qu'elle permet de réaliser totalement silencieux et de faire fonctionner avec une dépense d'énergie compétitive avec l'utilisation des compresseurs. REVENDI CÂTIONS 1. Pompe à chaleur mettant en jeu effet Peltier comportant un ensemble d'éléments actifs dits "thermo-éléments" sensiblement de mEme épaisseur, et au moins deux éléments plats dits "éléments radiants" assurant la diffusion ou l'absorption de la chaleur, ladite pompe étant caractérisée en ce quelle comporte deux supports isolants électriquement et bons conducteurs thermiquement, placés de part et d'autre des éléments actifs , lesdits supports assurant à la fois le couplage électrique des thermo-éléments les uns aux autres, le couplage thermique des éléments radiants aux thermo-éléments, et concourant au couplage mécanique de l'ensemble de tous les éléments, les supports ayant chacun : - une première face en contact par toute sa surface avec l'un des éléments radiants, et - une seconde face recouverte d'éléments discontinus bons conducteurs de l'électricité, ces éléments étant répartis sur les deux supports de manière que, lorsque les thermoéléments sont serrés entre celles-ci, lesdits éléments conducteurs réalisent le couplage en série des thermo-éléments, les points de couplage d'une première nature thermo-électrique étant tous sur l'une des plaques et les points de couplage de l'autre nature thermo-électrique étant tous sur l'autre, et deux éléments conducteurs extrêmes d'une des plaques étant pourvus de moyens de couplage aux pôles opposés d'une source d'énergie électrique continue. 2. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que, en vue d'améliorer la aualité des liaisons thermiques, lesdites premières faces sont recouvertes d'une mince pellicule mé gallique. 3. Pompe à chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits éléments bons conducteurs sont réalisés par dépôt électrolytique par exemple d'une couche métallique sur ladite seconde face et gravure de ladite couche, la gravure étant réa- lisée indifféremment après ou avant le dépôt de toute l'épaisseur de la couche. 4. Pompe à chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits éléments bons conducteurs sont réalisés par dépôt, électrolytique par exemple, de surfaces conductrices distinctes, par exemple au moyen d'un masque. 5. Pompe à chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits éléments bons conducteurs sont réalisés par collage d'un lamifié bon conducteur et gravure de ce lamifié. 6. Pompe à chaleur selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits éléments bons conducteurs sont réalisés par collage d'éléments lamifiés séparés, la mise a place pouvant être effectuée l'aide d'une grille. 7. Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins une feuille de caoutchouc entre un des éléments radiants et la face du support en regard de celui-ci1 la feuille de caoutchouc ou en tout autre matériau élastique bon conducteur de la chaleur étant perforée convenablement pour permettre le passage des éléments de serrage. 8. Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce quelle comporte en outre entre les deux supports une grille non conductrice, pour la mise en place correcte et rapide des termo-elements.