Brevet FR2330976A1 — publié le 19770603

L'invention est relative, d'une façon générale, aux installations thermoélectriques comportant des thermoéléments montés entre deux parois d'échanges thermiques, à savoir une paroi chaude et une paroi froide. De telles installations peuvent être utilisées pour engendrer un courant électrique continu lorsque les parois chaude et froide sont maintenues à des températures différentes ou, au contraire, pour maintenir les parois chaude et froide à des températures différentes lorsqutufl courant électrique continu circule dans les thermoéléments, amené auxdits thermoéléments par les échangeurs de chaleur dont font partie les parois d'échanges thermiques. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, à ces derniers types d'installations, les thermoéléments étant alimentés en courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre deux parois chaude et froide. Une telle installation appelée pompe a chaleur peut être utilisée pour produire "du chaudn ou du froid". En effet, les thermoéléments sont de deux types, à savoir les thermoéléments de type P qui transfèrent des calories dans le sens du courant, et les thermoéléments du type N qui transfèrent des calories dans le sens inverse du courant. Pour réaliser de telles installations, on a déjà proposé de leur faire comporter une pluralité d'éléments d'échanges thermiques comprenant chacun au moins une base coopérant, d'un côté, avec au moins un thermoélément et, de l'autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques baignées par un fluide chaud ou un fluide froid. Jusqu'à ce jour, ces surfaces d'échanges thermiques étaient réalisées, - par des ailettes épaisses extrudées ou fraisées dans la masse et formant un ensemble monobloc avec la base des éléments d'é- changes thermiques, - ou par des ailettes minces à faible écartement rapportées sur la base des éléments d'échanges thermiques, - ou encore par des turbulateurs de formes diverses. La première de ces solutions conduit à des éléments d'échanges thermiques lourds et chers ; de plus, 1'écoulement entre les ailettes est laminaire, ce qui concduit a des coefficients d' échanges par convection faibles et à des surfaces de contact importantes augmentant l'encombrement et le poids. La deuxième solution conduit à des éléments d'échanges thermiques qui sont plus légers mais qui présentent le même inconvénient en ce qui concerne l'écoulement laminaire ; de plus, l'efficacité des ailettes rapportées est aléatoire car elle dépend de la résistance thermique de contact des ailettes sur la base. Enfin, quand les ailettes sont brasées ou soudées sur la base, les produits utilisés pour cette brasure ou cette soudure risquent de créer des amorces de corrosion en présence des condensats et des différentes de potentiel électrique lorsque le courant traverse les surfaces d'échanges thermiques. La troisième de ces solutions enfin permet d'obtenir des écoulements turbulents qui améliorent les coefficients d'échanges par convection. Cependant, on rencontre encore les inconvénients d'un contact aléatoire entre les turbulateurs et la surface de base et, si l'on fait appel à des moyens de fixation par soudure ou brasure, on retrouve le risque de corrosion et le risque de potentiel électrique parasite. L'invention a précisément pour but des surfaces d'échanges thermiques qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. L'installation thermrsselectrique conforme à l'invention comporte une pluralité d'éléments d'échanges thermiques comprenant chacun au moins une base coopérant, d'un côté, avec au moins un thermoélément et, de l'autre côté, avec des surfaces dté- changes thermiques baignées par un fluide chaud ou par un fluide froid et elle est caractérisée par le fait que ces surfaces d'échanges thermiques comportent au moins une région centrale solidaire dé la base et une pluralité de bras s'étendant à partir de cette région centrale. On constate alors, toutes choses tant égales par ailleurs, que le coefficient d'échanges par convection est trois fois plus élevé que dans le cas des surfaces d'échanges thermiques à ailettes. L'invention consiste, mise à part la disposition dont il vient d'être question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui stutil5sent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1 de ces dessins est une coupe partielle d'une installation thermoélectrique établie conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La fig. 2 est une coupe partielle d'une installation thermoélectrique établie conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention. La fig. 3 est une coupe partielle d'une installation thermoélectrique établie conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention. La fig. 4 est une coupe selon IV-IV fig. 3. La fig. 5 est une coupe partielle d'une installation thermoélectrique établie conformément à un quatrième mode de réalisation de l'invention. La fig. 6 est une coupe selon VI-VI fig. 5. La fig. 7 est une vue en perspective illustrant un cinquième mode de réalisation de l'invention. La fig. 8 est une vue en perspective illustrant un sixième mode de réalisation de l'invention. Comme montré sur la fig. 1, l'installation thermoélectrique comporte une pluralité d'éléments d'échanges thermiques 1 dont deux seulement sont représentés sur cette figure. Chaque élément d'échanges thermiques 1 comporte une base 2 coopérant, d'un côté, avec un thermoélément 3 et, de l'autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques 4 baignées par un fluide ; ce fluide est un fluide chaud (air chaud) pour l'un des éléments d'échanges thermiques 1 et un fluide froid (air froid) pour l'élément d'échanges thermiques 1 situé de l'autre côté par rapport au thermoélément 3. Les surfaces d'échanges thermiques 4 comportent une région centrale 5 solidaire de la base 2 et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de cette région centrale 5. Chaque bras 6 peut présenter la forme d'un prisme, d'une pyramide tronquée, d'un cylindre ou d'un cône à base circulaire ou elliptique. De préférence, chaque bras 6 présente la forme d'un corps de révolution d'allure conique engendré par. des génératrices de forme parabolique concave, ce qui permet d'obtenir des échan ges thermiques les plus élevés par unité de masse. Sur la fig. 2, l'installation thermoélectrique représentée comporte une pluralité d'éléments d'échanges thermiques 1 dont deux seulement sont représentés sur cette figure. Ces éléments d'échanges thermiques 1 comportent deux bases 2 de sorte qu'ils peuvent être assemblés suivant un empilement, au moins un thermoélément 3 étant interposé entre deux éléments d'échanges thermiques 1 successifs. Dans un tel montage, dit "montage en colonne", le courant électrique traverse les éléments d'échanges thermiques 1. Chaque base 2 coopère, d'un côté, avec un thermoélément 3 et, de l'autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques 4 baignées par un fluide ; ce fluide est de l'air chaud pour l'un des éléments d'échanges thermiques 1, et de l'air froid pour l'élément d'échanges thermiques 1 suivant. Les surfaces d'échanges thermiques 4 comportent une région centrale 5 solidaire des deux bases 2 et les réunissant, et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de cette région centrale 5. Cette région centrale 5 présente la forme d'une cloison orientée parallèlement à la direction de l'écoulement de fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré, les bras 6 s'étendant perpendiculairement de part et d'autre de cette cloison. Les éléments d'échanges thermiques 1 ainsi réalisés peuvent être décalés angulairement de 900 en suivant leur empilement. Pour augmenter les coefficients d'échanges, il est avantageux d'augmenter la turbulence en prévoyant un décalage des bras 6 qui se trouvent répartis dans un plan faisant un angle d'environ 5t, plus généralement compris entre 2 et 8c,avec la direction de l'écoulement du fluide. Sur la fig. 2, on a représenté par des flèches Fa et Fb la direction de l'écoulement du fluide dans les deux éléments d'échanges thermiques 1 successifs. Sur la fig. 3, l'installation thermoélectrique représentée comporte les mêmes organes que sur la fig. 2, organes qui sont d'ailleurs désignés par le même chiffre de référence. Seul le mode de réalisation des surfaces d'échanges thermiques 4 est différent. Ces surfaces d'échanges thermiques 4 comportent une région centrale 5, solidaire des deux bases 2 et les réunissant, et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de cette région centrale 5. Cette région centrale 5 présente la forme d'une colonne, les bras 6 s'étendant de part et d'autre de cette colonne dans un plan P orienté parallèlement à la direction de l'écoulement du fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré. Chaque bras 6 porte des bras secondaires 7 s'étendant perpendiculairement au plan P de part et d'autre des bras 6 (fig. 3 et 4). Les éléments d'échanges thermiques 1 ainsi réalisés peuvent être décalés angulairement de 900 en suivant leur empilement. Pour réduire le poids de chaque élément d'échanges thermiques 1, on peut donner à la région centrale 5 une forme biconique présentant sa section minimale au milieu et ses deux sections maximales au niveau des deux bases 2. Sur la fig. 5, l'installation représentée comporte les mêmes organes que sur la fig. 2, organes qui sont d'ailleurs désignés par le même chiffre de référence. Seul le mode de réalisation des surfaces d'échanges thermiques 4 est différent. Ces surfaces d'échanges thermiques 4 comportent une région centrale 5 solidaire des deux bases 2 et les réunissant et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de cette région centrale 5. Cette région centrale 5 présente la forme d'une colonne, les bras 6 s'étendant radialement à partir de cette colonne, et suivant une disposition circonférentielle régulière (fig. 5 et 6). Pour réduire le poids de chaque élément d'échanges thermiques 1, on peut constituer la région centrale sous forme d'une colonne creuse. Cette colonne creuse peut alors être réalisée par un assemblage (soudure, brasure ou collage) de secteurs Sa solidaire de l'extrémité de chaque bras (fig. 6). Sur les fig. 7 et 8, l'installation thermoélectrique représentée comporte une pluralité d'éléments d'échanges thermiques 1 dont deux seulement sont représentés sur ces figures. Chaque élément d'échanges thermiques 1 comporte une base 2 en forme de plaque coopérant,d'un côté, avec une pluralité de thermoéîé- ments 3, et, de 11 autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques 4 baignées par un fluide ; ce fluide est de l'air chaud pour l'un des éléments d'échanges thermiques 1 et de l'air froid pour l'élément d'échanges thermiques 1 situé de l'autre côté par rapport aux thermoéléments. Les surfaces d'échanges thermiques 4, selon le mode de réalisation illustré sur la fig. 7, comportent plusieurs régions centrales 5 solidaires de la base 2 et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de chacune de ces régions centrales 5. Chaque région centrale 5 est constituée par une colonne, par exemple présentant la forme d'un tronc de cône, partant de la base 2, les bras 6 s'étendant radialement à partir de cette colonne, et suivant une disposition circonférentielle régulière. Les surfaces d'échanges thermiques 4, selon le mode de réa- lisation illustré sur la fig. 8, comportent une région centrale 5 solidaire de la base 2 et une pluralité de bras 6 s'étendant à partir de cette région centrale 5. Cette région centrale 5 présente la forme d'un demi-tronçon cylindrique creux solidaire de la base 2 par ses deux sections diamétralement opposées et orienté parallèlement à la direction de l'écoulement du fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré. Les bras 6 s'étendent radialement à partir de ce demi-tronçon cylindrique creux et suivent une disposition semi circonférent#elle régul i#re. Les éléments d'échanges thermiques 1 ainsi réalisés peuvent titre décalés angulairement de 90 * Finalement et quel que soit le mode de réalisation, on dispose, pour une installation thermoélectrique,d'éléments d'échanges thermiques qui - permettent des coefficients d'échanges plus élevés que ceux obtenus avec des éléments d'échanges thermiques å ailettes, - présentent une plus grande fiabilité que celle qu'il était possible d'obtenir avec des éléments d'échanges thermiques à ailettes n'assurant qu'un contact thermique aléatoire, - présentent une plus grande résistance à la corrosion que celle des éléments d'échanges thermiques à ailettes ou turbulateurs brasés ou soudés dont les brasures ou soudures cons tituaient des zones d'amorce de corrosion et/ou des sources de potentiel électrique parasite, - offrent des facilités de fabrication par moulage notamment, - présentent un poids réduit par rapport à celui des éléments d'échanges thermiques à ailettes. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1.- Installation thermoélectrique comportant une pluralité d'éléments d'échanges thermiques comprenant chacun au moins une base coopérant, d'un côté, avec au moins un thermoélément et, de l'autre côté, avec des surfaces d'échanges thermiques baignées par un fluide chaud ou par un fluide froid, caractérisée par le fait que ces surfaces d'échanges thermiques comportent au moins une région centrale solidaire de la base et une pluralité de bras s'étendant à partir de cette région centrale. 2.- Installation thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque bras présente la forme d'un prisme. 3.- Installation thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque bras présente la forme d'une pyramide tronquée. 4.- Installation thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque bras présente la forme d'un cylindre. 5.- Installation thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque bras présente la forme d'un cône à base circulaire ou elliptique. 6.- Installation thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque bras présente la forme d'un corps de révolution d'allure conique engendré par des génératrices de forme parabolique concave. 7.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que chaque élément d'échanges thermiques comporte deux bases, de sorte que plusieurs de ces éléments d'échanges thermiques peuvent être assemblés suivant un empilement, au moins un thermoélément étant interposé entre deux éléments d'échanges thermiques successifs. 8.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la région centrale présente la forme d'une cloison orientée parallèlement à la direction de l'écoulement de fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré, les bras s'étendant perpendiculairement de part et d'autre de cette cloison. 9.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la région centrale 5 présente la forme d'une colonne, les bras s'étendant de part et d'autre de cette colonne dans ut plan orienté parallèlement à la direction de l'écoulement du fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré, chaque bras portant des bras secondaires s'étendant perpendiculairement au susdit plan de part et d'autre des susdits bras. 10.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la région centrale présente la forme d'une colonne, les bras s'étendant radialement à partir de cette colonne. 11.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que les surfaces d'échanges thermiques comportent plusieurs régions centrales présentant chacune la forme d'une colonne, les bras s'étendant radialement à partir de cette colonne. 12.- Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que la région centrale présente la forme d'un demi-tronçon cylindrique creux solidaire de la base par ses deux sections diamétralement opposées et orienté parallèlement à la direction de l'écoulement du fluide dans l'élément d'échanges thermiques considéré, les bras s'étendant radialement à partir de ce demi-tronçon cylindrique creux.