Brevet FR2298192A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne le domaine de la transformation directe de l'énergie thermique en énergie électrique et plus particulièrement la construction des modules thermoélectriques tubulaires. Les éléments principaux des générateurs thermoélectriques connus sont des modules à thermopiles plates, dotées d'un isolement électrique et renfermées dans un bottier étanche, rempli d'un gaz inerte. Les couvercles du bottier peuvent être réalisés à paroi mince et serrés entre des plaques massives constituant des conducteurs de chaleur intérieur et extérieur et servant à l'amenée et à l'évacuation du flux thermique. Pour réduire les chutes de température aux jonctions de contact thermique il faut assurer des efforts de serrage importants, ce qui entratne un accroissement du poids du module, rend compliqué l'assemblage de ses composants et l'obtention de contraintes thermiques suffisament faibles dans les thermopiles lors du réchauffement du conducteur thermique chaud. Selon d'autres variantes de construction, les couvercles du bottier sont réalisés massifs et jouent le rôle de conducteurs de chaleur, chacun des thermocouples formant la thermopile étant serré contre l'un daur au moyen de ressorts se trouvant à l'intérieur du bottier. Cette construction permet de réduire sensiblement les contraintes thermiques et les pertes de température, mais elle est très compliquée et coûteuse. On connatt aussi une construction de module thermoélectrique tubulaire. Elle comporte des conducteurs thermiques intérieur et extérieur, des thermopiles annulaires composées de branches des types p et n et embrassant un conducteur de chaleur intérieur, des ensembles électro-isolants, et des barrettes de connexion raccordant entre elles les piles thermiques. Les branches de type tet n sont realisées sous la forme de bagues entières enfilées sur le conducteur thermique intérieur et connectées entre elles sur leurs cotés intérieur et extérieur à l'aide de bagues métalliques pour former une thermopile cylindrique. Les ensembles électro-isolants isolent les piles thermiques les unes par rapport aux autres et par rapport aux conducteurs thermique intérieur et extérieur. Pour réduite les pertes de tempcrature aux jonctions de contact entre les conducteurs thermiques, les ensembles électro-isolants et la thermopile cylindrique, les conducteurs thermiques sont comprimés de manière à créer un effort déterminé de serrage des éléments indiqués La construction décrite comporte une série d'inconvénients 1. Lors de l'échauffement du module, les conducteurs thermiques intérieur et extérieur, vu leurs températures de service différentes, s'allongent différemment, ce qui provoque des contraintes de cisaillement dans le matériau de la pile thermique. Afin de réduire les contraintes de cisaillement, sur les cotés en bout des modules sont placés des éléments constructifs spéciaux permettant de créer des pressions axiales. Cependant, même l'utilisation de tels éléments ne permet pas de dépasser une longueur de module de 30 à 4t cm. D'autre part, la présence de ces éléments entraîne un shuntage du flux thermique allant du conducteur thermique chaud au conducteur thermique froid, ce qui réduit le rendement du module. 2. lors de la compression des conducteurs thermiques pour leur serrage contre les branches des piles thermiques, la pression exercée sur certaines branches s'avère insuffisante à cause des écarts technologiques entre leurs dimensions diamétrales respectives, ce qui entraîne une diminution du rendement et de la puissance du module à cause des pertes de température accrues aux jonctions de contact de ces branches. 3. Pour réduire les résistances thermiques au joint entre les branches de la pile thermique et les conducteurs thermiques, il faut usiner les surfaaes conjuguées avec un haut degré de précision, ce qui rend compliquée la technologie de fabrication. Cependant, même dans ce cas, la présence de microrugosités entraîne de fortes chutes de température auxdits joints et par consquent une diminution du rendement du module. lå présente invention a pour but d'éliminer les inconvéints indiqués. La construction proposée vise à améliorer la fiabilité, le rendement et la puissance du module thermoélectrique tubulaire en éliminant les contraintes de cisaillement dans le matériau thermoélectrique et la réduction des pertes de température dans les jonction de contact entre les thermoconducteurs, les thermopiles et lés ensembles électroisolants, à augmenter la puissance spécifique gracie à un choix judicieux de la forme des thermopiles, et à améliorer la fiabilité de la commutation des thermopiles en utilisant des contacts électriques a-serrage. Ce but est atteint du fait que dans un module thermoélectrique comportant des conducteurs thermiques intérieur et extérieur, des piles thermiques annulaires embrassant le conducteur thermique intérieur, des ensembles électro-isolants pour l'isolement des thermopiles les uns par rapport aux autres et par rapport aux conducteurs thermiques intérieur et extérieur, et des barrettes ou éléments de commutation raccordant les -thermopiles entre elles, selon l'invention le conducteur thermique extérieur est réalisé sous la forme d'une série de dispositifs de serrage conique étanches, chacun desquels embrasse une thermopile annulaire. Il est avantageux d'utiliser un dispositif de serrage conique constitué d'une bague extérieure entière et d'une bague intérieure fendue. Il est aussi avantageux d'utiliser des dispositifs de serrage coniques dont le diamètre intérieur est inférieur au plus petit diamètre extérieur des thermopiles annulaires. Il est non moins avantageux de réaliser en titane la bague extérieure du dispositif de serrage conique. Il est avantageux que la bague intérieur du dispositif de serrage conique soit réalisée en un métal à faible valeur de limite élastique, par exemple en aluminium. Il est avantageux de rendre étanche les dispositif de serrage coniques à l'aide d'un bottier métallique à parois minces enveloppant les dispositifs de serrage et doté de gaufres situées dans les intervalles entre les dispositifs coniques de serrage. Il est avantageux, pour augmenter la puissance spécifique de donner aux surfaces extérieures des thermopiles annulaires vues en sections axiale une forme en trapèze sur leur côté extérieur. Il est aussi avantageux, pour améliorer la fiabilité, de serrer les barrettes de commutation aux thermopiles à l'aide des dispositifs de serrage coniques. le module thermoélectrique tubulaire proposé assure une haute puissance spécifique, un rendement élevé, un poids réduit, une bonne résistance aux chocs mécaniques et thermiques ainsi qu'un faible coat de fabrication. En principe, la longueur du module n'est pas limitée. L'arrangement universel et commode du module permet son utilisation pour les générateurs à carburant organique, en cas d'utilisation de sources de chaleur géothermiques, de l'énergie de la radiation solaire et de 1' énergie nucléaire. les caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de la description suivante, données à titre d'exemple non limitatif, d'un mode de réalisation de l'invention et faite en se référant au dessin unique annexé qui représente - la figure 1, un module tubulaire thermoélectrique, selon l'invention (coupe longitudinale partielle) ; - la figure 2, une thermopile annulaire (vue de face) - la figure 3,-idem, vue latérale ; ; -- la figure 4 un dispositif de serrage conique (vue de face) - la figure 5, idem (coupe longitudinale) Le module thermoélectrique proposé (figure 1) comporte un conducteur de chaleur intérieur 1, des thermopiles annulaires souples 2 emmanchées sur ce conducteur de chaleur, des dispositifs ou colliers de serrage 3 embrassant les thermopiles 2, des ensembles électro-isolants 4, 5, 6 assurant l'isolement des thermopiles 2 les unes par rapport aux autres et par rapport au conducteur de chaleur intérieur 1 et aux dispositifs de serrage coniques 3, un boîtier d'étanchéité 7 et des couvercles 8 avec des connexions de prise de courant 9. Les dispositifs de serrage coniques 3 et le boîtier d'étanchéité 7 forment le conducteur de chaleur extérieur. Les couvercles 8 sont soudés au conducteur de chaleur 1 et au boîtier d'étanchéité 7. Ainsi, le conducteur de chaleur intérieur 1, le boîtier d'étanchéité 7 et les couvercle 8 forment une enceinte étanche contenant les thermopiles 2. Les connexions de prise de courant étanches 9 comportent des ouvertures (non représentées sur le dessin) pour l'évacuation et le remplissage consécutif de l'enceinte intérieure étanche du module avec un gaz inerte. Le raccordement des thermopiles 2 entre elles et aux connexions de prise de courant est réalisé à l'aide de barrettes ou éléments souples de commutation 10 disposés parallèlement à l'axe du module. Lesdites barrettes 10 sont raccordées aux thermopiles 2 par serrage au moyen des dispositifs de serrage coniques 3 (sans soudures). La structure des thermopiles annulaires 2 est représentée sur les figures 2, 3. Une thermopile annulaire 2 se compose de branches 11, 12 de types L et , constituées par des tronçons d'anneau connectés en série l'un à l'autre, suivant des circonférences correspondant respectivement à leur côté chaud et à leur côté froid, par des barrettes de commutation 13 et 14. la souplesse de ces derrières et la présence d'intervalles entre les branches 11, 12 confèrent à la thermopile 2 la souplesse nécessaire pour transmettre la pression. La surface extérieure de la thermopile 2 vue en section axiale est en forme de trapèze assurant, à proximité du conducteur de chaleur extérieur, la présence d'intervalles dans lesquels sont placées les barrettes souples de connexion 10 tout en assurant un assemblage compact des parties internes des thermopiles 2. La structure des dispositifs ou colliers de serrage coniques est représentée sur les figures 4, 5. Un dispositif de serrage se compose d'une bague extérieure entière 15 et d'une bague intérieure fendue 16, L'angle d'inclinaison des surfaces conjuguées des bagues 15 et 16 est inférieur à l'angle de friction des matériaux des bagues. L'épaisseur moyenne de la bague extérieure 15 est choisie selon la formule 6 = P. R dans laquelle F est la pression théorique de serrage, quelque peu inférieure à la résistance à la compression du matériau thermoélectrique ~@ é est la limite élastique du matériau de la bague extérieure ; R est le rayon de la bague extérieure.Le diamètre interne (20) du dispositif de serrage conique 3 est choisi inférieur au plus faible diamètre Dmini des thermopiles annulaires 2 UDo/Dmini 6 é/3 où E est le module délastiçité, ce qui assure une déformation plastique des bagues 15 lors de leur emmanchement à force jusqu'à coïncidence complète avec les bagues 16 montées sur la thermopiles 2, indépendamment des écarts -technologiques des diamètres des thermopiles 2. Comme matériau pour les bagues 15 il est préférable d'utiliser le titane, qui permet une déformation plastique importante et possède un module délasticité faible. Comme matériau pour les bagues fendues 16 il est avantageux d'utiliser des métaux à faible limite élastique (tels que l1aluminium, le cuivre). lors de l'emmanchement de la bague extérieure 15., la bague 16 subit une déformation plastique -aux endroits des microrugosités des surfaces conjuguées, ce qui assure leur adhérence étroite et, par conséquent, une faible résistance thermique de contact. Pour la réalisation des ensembles électro-isolants 4,5, 6 on peut utiliser n1 importe quel matériau couramment utilisé à cette fin (par exemple du mica, de la céramique, etc.). Le boîtier d'étanchéité 7 se présente sous la forme d'un cylindre en feuille de métal mince. Dans les intervalles entre les dispositifs de serrage 3, le boîtier 7 est doté de gaufres annulaires assurant une cortractbn ou au contraire (une extension) des parties cylindriques du boîtier 7 jusqu'à leur adhérence étroite aux dispositifs de serrage conique 3. Le boîtier est fixé à ces derniers par soudage électrique par résistance. le module fonctionne de la façon suivante Lorsque le caloporteur chaud passe à travers le -conducteur de chaleur intérieur 1 et que le caloporteur froid passe dans l'espace entourant le conducteur de chaleur extérieur formé par les dispositifs de serrage 3 et le boîtier d'étanchéité 7, le flux thermique passe radialement à travers les thermopiles 2 et les ensembles électro-isolants 5 et 6. La tension qui apparaît dans les thermopiles 2 est appliquée, par l'intermédiaire des connexions de prise de courant 9, à une charge (non représentée sur le dessin). Au cours de son échauffement, le conducteur thernique intérieur 1 s'allonge et la distance entre les thermopiles solidaires de celui-ci augmente ; alors les gaufres du boîtier d'étanchéité 7 et les barrettes de connexion souples 10 entre les thermopiles s'allongent aussi, en empêchant l'apparition de contraintes de cisaillement dangereuses dans le matériau des thermopiles 2. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné elu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. RFV#Tfl CATIONS 1. Module theroélectriyue tubulaire, du type comportant un conducteur thermique intérieur et un conducteur thermique extérieur, des thermopiles annulaires embrassant le conducteur thermique intérieur, des ensembles électroisolants pour l'isolement des thermopiles les unes par rapport aux autres et par rapport aux conducteurs thermiques intérieur et extérieur, et des barrettes de connexion ou éléments de commutation raccordant entre elles les thermopiles, caractérisé en ce que le conducteur thermique extérieur est réalisé sous la forme d'une série de dispositifs ou colliers de serrage coniques étanches, chacun desquels embrasse une thermopile annulaire. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce -que chaque dispositif ou collier de serrage conique se compose d'une bague extérieure entière et d'une bague intérieure fendue. 3. Module thercoélectrique tubulaire selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre interne desdits colliers de serrage coniques est inférieur au diamètre extérieur minimal des thermopiles annulaires. 4. Module thermoélectrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bague extérieure du collier de serrage est en titane. 5. Module tubulaire thermoélectrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractéri#sé en ce que la bague intérieure du collier de serrage est en aluminium. 6. Module selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étanchéité des dispositifs ou colliers de serrage est assurée par un boîtier métallique à parois minces enveloppant lesdits dispositifs de serrage et doté de gaufres situées dans des intervalles ménagés entre lesdits dispositifs. 7. Module thermoélectrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, vue en section axiale chaque thermopile a une surface extérieure en forme de trapèze. 8* Module thermoélectrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les barrettes de connexion ou éléments de commutation précités sont serrés, contre les thermopiles par lesdits dispositifs de serrage coniques.