Brevet FR2322459A1 — publié le 19770325

L'invention est relative d'une façon générale, aux éléments modulaires pour installations thermoélectriques et à leur procédé de fabrication, ctest-à-dire aux ensembles appelés éléments modulaires qui comportent au moins un thermoélément (ou élément thermoélectrique) monté entre deux parois d'échanges thermiques, à savoir une paroi chaude et une paroi froide,ces élaxnts mcdursétant fabriqués avant leur montage dans l'installation, le susdit thermoélément présentant deux bases coopérant respectivement avec les deux susdites parois d'échanges thermiques et par lesquelles passent les flux thermiques et électriques. En ce qui concerne 11 installation proprement dite, elle peut cotre utilisée 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 lorsqu'un 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 à chaleur", peut être utilisée pour produire "du chaud'1 ou "du froid't. 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 de type N qui transfèrent des calories dans le sens inverse du courant0 Dans la construction d'installations thermoélectriques, il faut, d'une part, assurer la transmission de la chaleur entre les parois d'échanges thermiques et les thermoéléments par une surface de contact, d'autre part, éviter de soumettre lesdits thermoéléments à des contraintes mécaniques autres que des contraintes de compression, et d'autre part enfin, disposer d'éléments modulaires faciles à réaliser (de préférence de façon automatique), fiables et d'un prix de fabrication le moins élevé pos sigle, Un des buts de la présente invention est précisément des dispositions qui permettent de concilier ces trois impératifs, transmission de la chaleur, réduction (voire-meme annulation) des contraintes mécaniques autres que des contraintes de compression et reealisation des éléments modulairese Selon l'invention l'élément modulaire est caractérisé au moins par le fait qu'il comporte/une paroi d'échanges thermiques, au moins un thermoélément fixé sur cette paroi d'échanges thermiques par l'une de ses bases, et une pastille métallique rapportée fi xée sur l'autre base dudit thermoélément et présentant une surface de contact convexe ou concave destinée à venir coopérer avec une région de forme complémentaire appartenant à une autre paroi d'échanges thermiques. Un bourrelet de colle peut être disposé autour du thermoélément pour occuper une partie de l'espace compris entre la pastille métallique et la paroi d'échanges thermiques. Dans ce cas on peut alors prévoir un manchon tubulaire pour entourer le bourrelet de colle, ce manchon tubulaire étant de préférence constitué en un matériau thermorétractable, isolant thermiquement et électriquement, Selon un procédé conforme à l'invention, la fabrication des éléments modulaires est menée à bien par la fixation simultanée du thermoélément sur la paroi d'échanges thermiques et de la pastille métallique rapportée sur le thermoélément, cette fixation pouvant steffectuer par brasage, par soudage ou par collage, On peut procéder ensuite aux opérations suivantes - entourage du thermoélément par un bourrelet de colle, - passage à l'étuve pour obtenir la polymérisation de la colle. Dans certains cas on peut, avant le passage à l'étuve, mettre en place un manchon tubulaire entourant le bourrelet de colle et qui ou bien sera retiré après polymérisation de la colle, ou bien restera à demeure, auquel cas ledit manchon tubulaire pourra être constitué en matériau thermorétractable, isolant thermiquement et électriquement, Le passage à l'étuve provoquera alors le frettage de ce manchon tubulaire thermorétractable. L'invention est également relative aux installations thermoélectriques réalisées par montage des éléments modulaires présentant les caractéristiques dont il vient d'être question. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et qui seront décrites ci-aprèsO L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des des sins c#-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à diverses formes d'exécution de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. Les fig. i à 6 sont des coupes montrant divers modes de réalisation des éléments modulaires conformément à.l'invention0 La figure 7 est une coupe d'une installation thermoélec tri que réalisée suivant un premier montage. La figure 8 est une coupe d'une installation thermoélectrique réalisée suivant un autre montage. La figure 9 est une coupe d'une installation thermoélectrique réalisée suivant une variante du premier montage. Comme montré sur les figures 1 à 6, on réalise l'installation thermoélectrique par montage d'une pluralité d'éléments modulaires comportant chacun-au moins unthermoélément 10 coopérant avec une paroi d'échanges thermiques Il généralement munie de moyens d'échanges thermiques 12.Le thermoélément 1o est fixé à cette paroi d'échanges thermiques il par l'une de ses bases loa et une pastille métallique rapportée 13 est fixée sur l'autre base lob dudit thermoélément 10 : cette pastille métallique rapportée 13 présente une surface de contact 14 convexe ou concave destinée à venir coopérer avec une région de forme complémentaire 15 appartenant à une autre paroi d'échanges thermiques 160 Cette pastille métallique 13 peut présenter des dimensions supérieures à celles du thermoélément 10. Un bourrelet de colle 20 peut être disposé autour du thermoélément 10 pour occuper la partie extérieure de l'espace compris entre la pastille métallique 13 et la paroi d'échanges thermiques 11, un manchon tubulaire 17 pouvant être prévu pour entourer ce bourrelet de colle 20 qui se trouve donc protégé et maintenu, notamment pendant son durcissement. De préférence, ce t::#ermo manchon tubulaire 17 est constitué en matériau/rétractable de manière à provoquer un rétreint radial, ledit matériau étant également isolant thermiquement et électriquement. Ce manchon tubulaire peut être maintenu par une gorge annulaire 18 (fig,3) ou un bossage cylindrique 19 (fige1, 2, 4, 5) ménagé sur la paroi dté- changes thermiques Il Sur la réalisation illustrée sur la fig, 1, la pastille métallique 13 présente une surface de contact 14 concave en forme de tronc de cône, Sur la réalisation illustrée sur la figure 2, la pastille métallique 13 présente une surface de contact 14 convexe en forme de calotte sphérique. Sur la réalisation illustrée sur la figure 3, la pastille métallique 13 présente une surface de contact 14 convexe de forme cylindrique. Sur la réalisation illustrée sur la figure 4, la pastille métallique 13 présente une surface de contact 14 concave formant un dièdre tronqué à son extrémité0 Sur la réalisation illustrée sur la figure 5, la pastille métallique 13 présente une surface de contact 14 concave en forme de tronc de pyramide. Les éléments modulaires montrés sur ces figures 1 à 5 peuvent être utilisés dans un montage d'une installation thermoélectrique dit "en colonne" tel que celui illustré sur la figure 7 sur laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes que sur les figures 1 å . Selon ce montage, les échangeurs de part et d'autre desquels se trouvent les thermoéléments 10 ne sont pas isolés électriquement les uns des autres, le courant électrique suivant un trajet rectiligne en traversant les thermoéléments. Chaque élément modulaire comporte donc deux parois d'é- changes thermiques, l'une, la paroi d'échanges thermiques 11, coopérant avec le thermoélément 10, et l'autre, la paroi d'échanges thermiques 16, coopérant avec la pastille métallique 13 et comportant la région de forme complémentaire 150 Selon une variante de ce montage, illustrée sur la figure 9, sur laquelle les mimes chiffres de-référence désignent les mêmes organes que sur la figure 7, on a recours à un empilement alterné d'éléments modulaires et d'éléments d'échanges thermiques complémentaires,. le courant électrique suivant un trajet rectil-igne en traversant les thermoéléments. Chaque élément modulaire comporte deux thermoéléments 10 et deux parois d'échanges thermiques 31 et 36, l'une 31 sur laquelle est fixé le premier thermoélément 10 et l'autre 36 sur laquelle est fixé le second thermoélément 10 ; des moyens d'échanges thermiques 12 peuvent être prévus, disposés entre les deux parois d'échanges thermiques 31 et 36. Chaque élément d'échanges thermiques complémentaires 25 comprend des moyens d'échanges thermiques 26 interposés entre deux parois d'échanges thermiques 27 et 28 sur chacune desquelles est ménagée une région de forme complémentaire 15 coopérant avec la pastille métallique du thermoélément de l'élément modulaire adjacent. De préférence, les parois d'échanges thermiques 31 et 36 de l'élément modulaire sont froides (moyens d'échanges thermiques t2 coopérant avec le fluide froid) alors que les parois d'échanges thermiques 27 et 28 de l'élément d'échanges thermiques complémentaire 25 sont chaudes (moyens d'échanges thermiques 26 cooperant avec le fluide chaud), Cette disposition diminue les pertes par résistance thermique de contact. Sur la réalisation illustrée sur la figure 6, l'élément modulaire comporte deux thermoéléments to fixés par leur base 1 Oa sur la paroi d'échanges thermiques 11, deux pastilles métalligues rapportées 13 étant respectivement fixées sur l'autre base lob de ces deux thermoéléments 11. La surface de contact 14 de chacune de ces deux pastilles métalliques 13 est convexe et en forme de calotte sphérique. Les éléments modulaires illustrés sur la figure 6 peuvent en outre être utilisés pour relier électriquement les extrémités de deux colonnes adjacentes dans un montage en colonne. Les éléments modulaires montrés sur cette figure 6 peuvent être utilisés dans un montage d'une installation thermoélectrique dit "en pont tel que celui illustré sur la figure 8 sur laquelle les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes organes qur sur la figure 6. Selon ce montage, les échangeurs, de part et d'autre desquels se trouvent les thermoéléments 10, sont isolés les uns des autres, par exemple par une couche mince d'un matériau élec trique zolant 21, qui peut éventuellement être constitué par une lame d'air. Le courant électrique suit alors un trajet en grecque. Ce montage est réalisé avec des éléments modulaires tels que celui illustré sur la fig.6 et des éléments d'échanges thermiques complémentaires 22. Chaque élément modulaire comporte une paroi d'échanges thermiques 11, coopérant avec les thermoéléments 10, et des moyens d'échanges thermiques 12 associés à la paroi d'échangesthermiques 110 Chaque élément d'échanges thermiques complémentaires 22 comporte des moyens d'échanges thermiques 24, et une paroi d'échanges thermiques 16 associée aux moyens d'échanges thermiques 24 et comportant la région de forme complémentaire 15 coopérant avec la surface de contact correspondante. Ces éléments d'échanges thermiques complémentaires 22 peuvent également être utilisés pour relier électriquement les extrémités de deux colonnes adjacentes dans un montage en colonne. Selon le procédé conforme à l'invention, on a recours aux étapes suivantes pour la fabrication des éléments modulaires: - usinage-de la gorge annulaire 18 ou du bossage cylindrique 19 de la paroi d'échanges thermiques 11, - fixation simultanée du thermoélément 10 sur la paroi d'échanges thermiques 11 et de la pastille métallique 13 sur le thermoélément 10 par brasage, soudage ou collage, - entourage du thermoélément 1.0 par un bourrelet 20 de colle époxy, - mise en place du manchon tubulaire 17, - passage à l'étuve pour obtenir le frettage du manchon tubulaire 17 et la polymérisation de la colle du bourrelet 20. Dans certains cas, la gorge annulaire ou le bossage cylindrique peuvent# venir-de moulage. il convient de signaler que, -dans le cas où il n'y a pas de manchon tubulaire, le thermoélément est avantageusement fixé sur un bossage de la paroi d'échanges thermiques, La fixation du thermoélémen-t 10 sur la-paroi d'échanges thermiques 11 et de la pastille métallique 13 sur le thermoélément 10 peut se faire par brasage ou soudage avec chauffage par induction ou chauffage dans une étuve; on pourrait également utiliser une colle chargée à l'argent. Le passage en étuve, pour obtenir la rétraction du manchon tubulaire 17 et la polymérisation du bourrelet 20 de colle époxy, peut se faire dans une étuve à 1000 pendant une demi-heure environ. Finalement, les avantages résultant de ltinvention peuvent être résumés dans les points suivants - grâce à la forme des surfaces de contact coopérant avec la région de forme complémentaire de la paroi d'échanges thermiques associée, la transmission de chaleur s'opère dans les meilleures conditions possibles et le montage des éléments modulaires s'en trouve facilité, - le montage ou le démontage d'un ou de plusieurs éléments modulaires au sein d'une batterie peut être effectué sans détérioration du ou des éléments modulaires adjacents, - les éléments modulaires sont parfaitement rigides et le ou les thermoéléments de chaque élément modulaire se trouvent protégés, - les thermoéléments ne sont soumis qu'à des contraintes de compression grâce à la portée entre les surfaces de contact et les régions complémentaires correspondantes, portée qui tolère un certain désalignement dans le cas de surfaces de contact en forme de calotte sphérique. 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 spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes REV2JDICATIONS 1. Elément modulaire pour installation thermoélectrique, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une paroi d'échanges thermiques (11,31,36), au moins un thermoélément (10) présentant deux bases (lova et lob) et fixé sur cette paroi d'échanges thermiques par l'une de ses bases (lova), et une pastille métallique rapportée (13) fixée sur l'autre base (lob) et présentant une surface de contact (14) convexe ou concave destinée à venir coopérer avec une région de forme complémentaire (1-5) appartenant à une autre paroi d'échanges thermiques (16). 20 Elément modulaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un bourrelet de colle (20) est disposé autour du thermoélément (10). 30 Elément modulaire selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un manchon tubulaire (17) est prévu pour entourer le bourrelet de colle (20). 4, Elément modulaire selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le manchon tubulaire (17) est constitué en un matériau thermorétractable isolant thermiquement et électriquement. 5o Elément modulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte deux thermoéléments (10) et une paroi d'échanges thermiques ()1). 6. Elément modulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte deux parois d'échanges thermiques (11 et 16), l'une (11) sur laquelle est fixé le thermoélément (10), et l'autre (16) sur laquelle est ménagée la région de forme complémentaire (15) destinée à coopérer avec la pastille métallique du thermoélément d'un élément modulaire adjacent. 7. Elément modulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte deux thermo éléments (10) et deuxparois d'échanges thermiques (31 et 36), l'une (31) sur laquelle est fixé le premier thermoélément (10), et l'autre (36) sur laquelle est fixé le second thermoélément (lu), 8 Elément modulaire selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte une paroi d'échanges thermiques (11) sur laquelle sont fixés les deux thermoéléments, et des moyens d'échanges thermiques (12) associés à la paroi d'échanges thermiques (11). 9. Procédé de fabrication d'éléments modulaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'on fixe simultanément le thermoélément sur la paroi d'échanges thermiques et la pastille métallique rapportée sur le thermoélément, cette fixation pouvant s'effectuer par brasage, par soudage ou par collage. 1 On Procédé de fabrication d'éléments modulaires selon la revendication 9, caractérisé par le fait que lion procède ensuite aux opérations suivantes - entourage du thermoélément par un bourrelet de colle, - passage à l'étuve pour obtenir la polymérisation de la colle. 11. Procédé de fabrication d'éléments modulaires selon la revendication to, caractérisé par le fait qu'avant le passage à l'étuve, on procède à la mise en place d'un manchon tubulaire entourant le bourrelet de colle. 12o Procédé de fabrication d'éléments modulaires selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ce manchon tubulaire est ensuite retiré, 13o Procédé de fabrication d'éléments modulaires selon la revendication il, caractérisé par le fait que ce manchon tubulaire reste à demeure et est constitué en matériau thermorétractable, isolant thermiquement et électriquement, 14o installation thermoélectrique comportant une pluralité d'éléments modulaires selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins une colonne formée par un empilement des susdits éléments modulaires, le courant électrique traversant cette colonne en suivant un trajet rectiligne0 15o installation thermoélectrique comportant une pluralité d'éléments modulaires selon la revendication 7, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins une colonne formée par l'empi- lement alterné de ces éléments modulaires et d'éléments d'échanges thermiques complémentaires (25) comprenant des moyens d'échanges thermiques (26) interposés entre deux parois d'échanges thermiques (27 et 28) sur chacune desquelles est ménagée une région de forme complémentaire (15) destinée à coopérer avec la pastille métallique du thermoélément d'un élément modulaire adjacent, le courant électrique traversant cette colonne en suivant un trajet rectiligne, 160 installation selon la revendication 15, caractérisée par le fait que les parois d'échanges thermiques (31 et 36) de l'élé- ment modulaire sont froides, alors que les parois d'échanges thermiques (27 et 28) de 11 élément d'échanges thermiques complé dentaires sont chaudes. 17. Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 et comportant plusieurs colonnes, caractérisée par le fait que la liaison électrique entre les extrémités des deux colonnes adjacentes est réalisée par des éléments modulaires à deux thermoéléments ou par des éléments d'échanges thermiques complémentaires à deux régions de formes complémentaires. 18. Installation thermoélectrique comportant une pluralité d'éléments modulaires selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre des éléments d'échanges thermiques complémentaires (22) comprenant des moyens d'échanges thermiques (24) et une paroi d'échanges thermiques (16) associée aux moyens d'échanges thermiques (24) et sur laquelle sont ménagées deux régions de forme complémentaire (15), coopérant respectivement avec les deux pastilles métalliques des deux thermoéléments de l'élément modulaire adjacent. 19. Installation selon la revendication 18, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un étage d'éléments modulaires et au moins un étage d'éléments d'échanges thermiques complémentaires qui sont décalés par rapport aux éléments modulaires de manière que itélément d'échanges thermiques complémentaires réunisse deux éléments modulaires d'un même étage, des moyens dtiso lement électrique étant prévus pour que le courant électrique suive un trajet en grecque.