Brevet FR2419479A1 — publié le 19791005

On connait des pompes à chaleur à thermoéléments utilisés notamment pour la réfrigération, la climatisation ou le chauffage des locaux. Ces pompes sont constituées par une plaque de thermoéléments de types P et N assemblés en damier et isolés électriquement les uns des autres. Les deux faces de cette plaque sont soudées en bon contact électrique et thermique chacune à un bloc d'échangeurs assemblés de manière analogue avec isolation électrique entre les divers échangeurs d'un même bloc. Un bloc d'échangeurs chauds est soudé à une face chaude de la plaque de thermoéléments et parcouru par un fluide caloporteur chaud. L'autre bloc est formé d'échangeurs froids. Il est soudé à l'autre face, qui est froide, de la plaque de thermoéléments, et il est parcouru par un fluide caloporteur froid. La disposition des thermoéléments et des échangeurs peut être décrite en supposant que la plaque de thermoéléments est horizontale,les échangeurs froids étant au-dessous et les chauds au-dessus. Cette disposition est telle que le courant électrique amené sur un échangeur par exemple froid passe sur un thermoélément N, le traverse en montant, pénètre dans un échangeur chaud qui le transmet horizontalement jusqu'à un thermoélément voisin de type P. Le courant redescend à travers ce thermoélément, et pénètre dans un deuxième échangeur froid qui le transporte horizontalement jusqu'à un deuxième thermoélément de type N à travers lequel il remonte jusqu'à un deuxième échangeur chaud et ainsi de suite. De telles pompes à chaleur conviennent à peu près lorsque l'un au moins des deux fluides caloporteurs (le chaud et le froid) est un gaz. Des problèmes de résistance mécanique des soudures apparaissent cependant en raison des dilatation thermiques différentielles qui créent des contraintes mécaniques importantes dans les plans de contact entre la plaque de thermoéléments et les blocs d'échangeurs. Ces problèmes peuvent être plus ou moins bien résolus. Deux autres inconvénients apparaissent comme importants surtout lorsque les deux fluides caloporteurs sont liquides - L'un est constitué par la perte de rendement qui résulte des ponts thermiques parasites qui sont formés par les isolants électriques, aussi minces soient ils, placés entre les faces latérales des thermoéléments. - l'autre est une difficulté d'obtention de l'étanchéité nécessaire des circuits hydrauliques chaud et froid empruntés par les fluides caloporteurs. Cette étanchéité doit être suffisante pour éviter la corrosion des soudures entre les thermoéléments et les échangeurs. Cette corrosion est particulièrement dangereuse lorsque les fluides caloporteurs sont aqueux. La présente invention a pour but la réalisation d'une pompe a chaleur a thermoéléments exempte de ponts thermiques parasites, et facile à fabriquer tant du point de vue de l'étanchéité des circuits hydrauliques que de celui de la réalisation et de la tenue dans le temps des soudures entre thermoéléments et échangeurs. Elle a pour objet une pompe a chaleur à thermoéléments comportant - des thermoéléments semi-conducteurs de types P et N présentant chacun une face chaude et une face froide, - des échangeurs thermiques chauds et des échangeurs thermiques froids parcourus par des fluides caloporteurs respectivement chaud et froid, chacun de ces échangeurs étant électriquement conducteur et en bon contact thermique et électrique avec un thermoélément P et un thermoélément N par les faces respectivement chaude et froide de ces deux thermoéléments, - chacun de ces thermoéléments étant connecté électriquement et thermiquement entre un échangeur chaud et un échangeur froid de manière à permettre à un courant électrique de traverser en série un échangeur froid, un thermoélément P, un échangeur chaud, un thermoélément N, un échangeur froid, un thermoélément P etc., et à assurer ainsi un transfert de chaleur du fluide froid vers le fluide chaud, caractérisé par le fait que lesdits thermoéléments sont empilés avec les échangeurs selon un axe perpendiculaire à leurs faces chaudes et froides, de manière à former un "bâtonnet" s'étendant selon cet axe. Les échangeurs chauds sont avantageusement connectés hydrauliquement en série, de même que les échangeurs froids, par l'intermédiaire de canalisations électriquement isolantes ou fortement résistives de manière à former deux circuits hydrauliques respectivement chaud et froid, sans contact thermique entre les canalisations chaudes du circuit chaud et les canalisations froides du circuit froid. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pompe à chaleur à thermoéléments, procédé comportant les étapes suivantes: - on dispose une succession de thermoéléments semi-conducteurs alternativement de types P et N en contact avec des échangeurs de chaleur électriquement conducteurs de manière à ce que les contacts électriques entre chaque thermoélément d'un type et les thermoéléments voisins de l'autre type puissent être assurés seulement par l'intermédiaire des échangeurs, - puis on effectue des soudures entre ces thermoéléments et ces échangeurs de manière à les mettre en bon contact électrique et thermique, caractérisé par le fait que - on dispose ladite succession de thermoéléments et d'échangeurs sous la forme d'un empilement s'étendant selon un axe, - puis on effectue toutes lesdites soudures au cours d'un seul traitement thermique au cours duquel on exerce sur l'empilement une pression selon son axe. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue en perspective éclatée d'une pompe à chaleur de type connu. La figure 2 représente une vue partielle en perspective d'un "bâtonnet" selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente une vue en perspective éclatée du bâtonnet de la figure 2, avec les connexions électriques et hydrauliques. La figure 4 représente une vue partielle en perspective d'un bâtonnet selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente une vue de côté des éléments de la figure 4. La figure 6 représente une vue partielle en perspective d'un bâtonnet selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 7 représente une vue de côté des éléments de la figure 6. Sur la figure 1 représentant une pompe à chaleur connue on a représenté en 2 la plaque de thermoéléments de types alternés N et P tels que 4 et 6, isolés électriquement les uns des autres, cette plaque étant munie de deux connexions électriques 8 et 10 respectivement positive et négative. Le bloc d'échangeurs chauds est représenté en 12. Il est parcouru par un fluide chaud représenté par les flèches 14. Chaque échangeur tel que 16 est isolé électriquement des voisins, et assure la connexion électrique entre deux thermoéléments tels que 4 et 6 lorsque le bloc 12 est soudé sur la face supérieure de la plaque 2. Le bloc d'échangeurs froids est représenté en 18 et constitué de manière analogue au bloc 12. Il est parcouru par un fluide froid représenté par les flèches 20. Le fonctionnement d'une telle pompe à chaleur a été précédemment décrit. Un premier mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 2. Il comporte un empilement vertical partiel s'étendant selon un axe vertical 21 et constitué des éléments suivants présentant tous des faces horizontales par l'intermédiaire desquelles ils sont soudés les uns aux autres en bon contact électrique et thermique. Ce sont, de bas en haut - un thermoélément P 22, - un échangeur froid 24 - un thermoélément N 26 - un échangeur chaud 28 - un thermoélément P 30 - un échangeur froid 32 - un thermoélément N 34 - un échangeur chaud 36 - et un thermoélément P 38. Les échangeurs présentent la forme de parallélépipèdes rectangles dont le plus grand côté est horizontal. Ce grand côté présente deux directions perpendiculaires selon qu'il s'agit d'un échangeur chaud tel que 36 ou d'un froid tel que 32. Les échangeurs chauds tels que 36 et 28 sont connectés hydrauliquement en série par une canalisation chaude telle que 40 électriquement isolante et suffisamment souple, pour supporter les dilatations des échangeurs sans faire apparaître de contraintes mécaniques gênantes. Cette canalisation peut être réalisée en matière plastique ou en tube mince d'un métal peu conducteur tel que l'acier inoxydable, ou encore en verre. Les échangeurs froids sont connectés de même par des canalisations froides telles que 42. Les canalisations chaudes et froides sont disposées, en alignement avec la longueur des échangeurs respectivement chauds et froids, dans deux plans perpendiculaires passant par l'axe 21. Il doit être compris que le courant électrique va de haut en bas selon l'axe 21. Cet empilement permet de constituer un "bâtonnet" qui peut avantageusement être renforcé par une structure mécanique destinée à éviter les contraintes de tension et de flexion dans les soudures. Cette structure comporte quatre montants isolants rigides tels que 44 et 46 (voir figure 3) encadrant les canalisations chaudes et froides. Aux extrémités inférieure et supérieure du bâtonnet ces montants sont solidarisés les uns des autres par deux traverses rigides telles que 48 et 50 horizontales et perpendiculaires l'une à l'autre. A l'extrémité inférieure l'empilement de thermoéléments et d'échangeurs s'appuie directement sur ces traverses, tandis qu'à l'extrémité supérieure un ressort 52 est interposé entre cet empilement et ces traverses de manière à exercer sur cet empilement selon l'axe 21 une compression élastique permanente réglable par l'intermédiaire d'une vis 54. Une pompe à chaleur peut comporter plusieurs bâtonnets tels que décrits, qui sont connectés les uns aux autres et à l'extérieur, tant électriquement qu'hydrauliquement, par des tubes de connexions conducteurs tels que 56 et 58, constitués par exemple de cuivre. La disposition des circuits chauds et froids (échangeurs et canalisations) dans deux plans perpendiculaires évite remarquablement tout risque de pont thermique parasite. Il est cependant possible, pour diminuer l'encombrement de disposer la longueur de tous les échangeurs dans un même plan vertical passant par l'axe 21.Pour éviter les ponts thermiques parasites il faut bien séparer les canalisations chaudes et froides, soit en les disposant dans deux plans parallèles de part et d'autre de l'axe 21 canalisations 60 et 62, (figures 4 et 5), ce qui oblige à décaler les ouvertures telles que 64 des échangeurs tels que 68 par rapport au plan de symétrie vertical longitudinal de ces derniers, soit en disposant toutes les ouvertures telles que 68 des échangeurs tels que 70 dans un même plan passant par l'axe 21 et en coudant les canalisations chaudes telles que 72 et froides telles que 74 de manière à les empêcher de trop se rapprocher les unes des autres (figures 6 et 7). La présente invention permet d'obtenir les avantages suivants - le seul contact thermique entre soudures chaudes et froides est le contact actif par les thermoéléments ; il n'y a aucun pont thermique parasite entre les circuits, aussi minces que soient les pastilles, car l'air ambiant constitue un exellent isolant thermique, suffisant pour découpler thermiquement les deux circuits. - il est facile de réaliser des circuits hydrauliques étanches et isolant bien électriquement les soudures de thermoéléments : dans un mode de réalisation, les échangeurs de chaleur peuvent être en cuivre et les canalisations en tube mince d'acier inoxydable. Il est alors facile d'obtenir, pour les shunts formés par ces canalisations, une résistance électrique 10 fois plus forte que celle des thermoéléments et de réduire l'effet Joule parasite à moins de 10 % de la puissance électrique de la pompe. D'autres tuyaux de liaison peuvent être utilisés : en verre ou en matière plastique , par exemple. - Les soudures de thermoéléments peuvent être obtenues en une seule opération en exerçant la même pression de soudage sur tous les plans de soudures. Ce procédé de soudage est mieux contrôlable qu'un procédé de soudage de thermoéléments en damier, et présente donc de meilleures chances de réussite. - Il n'existe pratiquement plus de contraintes mécaniques de dilatations thermiques différentielles en raison de la souplesse des jonctions hydrauliques réalisées en matières plastiques ou en tubes minces faits de métal peu conducteur, ou de verre. - Ce type d'assemblage en bâtonnets se prête bien à une fabrication modulaire, les bâtonnets élémentaires pouvant être connectés en série ou en parallèle au moyen de tubes électriquement bons conducteurs servant à la fois de connexions électrique et hydraulique. REVENDICATIONS 1/ Pompe a chaleur a thermoéléments comportant - des thermoéléments semi-conducteurs de types P (38) et N (34) présentant chacun une face chaude et une face froide, - des échangeurs thermiques chauds (36) et des échangeurs thermiques froids (32) parcourus par des fluides caloporteurs respectivement chaud et froid, chacun de ces échangeurs étant électriquement conducteur et en bon contact thermique et électrique avec un thermoélément P et un thermoélément N par les faces Xrespectivement chaude et froide de ces deux thermoéléments, - chacun de ces thermoéléments étant connecté électriquement et thermiquement entre un échangeur chaud et un échangeur froid de manière à permettre à un courant électrique de traverser en série un échangeur froid, un thermoélé ment P, un échangeur chaud, un thermoélément N, un échangeur froid, un thermoélé ment P etc., et à assurer ainsi un transfert de chaleur du fluide froid vers le fluide chaud, caractérisé par le fait que les thermoéléments (34, 38) sont empilés avec les échangeurs (32, 36) selon un axe (21) perpendiculaire à leurs faces chaudes et froides, de manière a former un "bâtonnet" s'étendant selon cet axe. 2/ Pompe selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les échangeurs chauds (36, 28) sont connectés-hydrauliquement en série, de même que les échangeurs froids (32, 24), par l'intermédiaire de canalisations (40, 42) électriquement isolantes ou fortement résistives de manière à former deux circuits hydrauliques respectivement chaud et froid,, sans contact thermique entre les canalisations chaudes (40) du circuit chaud et les canalisations froides (42) du circuit froid. 3/ Pompe selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canalisations chaudes (40) d'un bâtonnet sont sensiblement situées toutes dans un même plan passant par l'axe (21) de ce bâtonnet, et les canalisations froides (42) dans un plan passant aussi par cet axe et perpendiculaire au plan des canalisations chaudes. 4/ Pompe selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canalisa tions chaudes et froides (62, 62) sont sensiblement situées dans deux plans parallèles de part et d'autre de l'axe (21) du bâtonnet. 5/ Pompe selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les points de raccordement (68) des canalisations sont situées sensiblement tous dans un même plan passant par l'axe (21) du bâtonnet, ces canalisations étant coudées de manière à éviter tout contact entre les canalisations chaudes (72) et froides (74). 6/ Pompe selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte une structure mécanique (44, 46) parallèle à l'empilement des thermoéléments (34, 36) et échangeurs (32, 36) et entourant cet empilement, et des moyens de pression élastique (52) s'appuyant sur cet structure pour exercer sur cet empilement une pression selon l'axe (21) de cet empilement. 7/ Pompe selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canalisations chaudes (40) et froides (42) sont suffisamment souples pour supporter les dilatations des échangeurs sans faire apparaître de contraintes mécaniques gênantes. 8/ Pompe selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les échangeurs (32, 36) sont réalisés en un métal choisi dans le groupe constitué par le cuivre et l'aluminium. 9/ Pompe à chaleur comportant plusieurs bâtonnets selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ces bâtonnets sont raccordés électriquement et hydrauliquement les uns aux autres par l'intermédiaire de tuyaux (56, 58) bon conducteurs électriques. 10/ Procédé de fabrication d'une pompe à chaleur à thermoéléments, procédé ccomportant les étapes suivantes - on dispose une succession de thermoéléments (34, 38) semi-conducteurs alternativement de types P et N en contact avec des échangeurs de chaleur (32, 36) électriquement conducteurs de manière à ce que les contacts électriques entre chaque thermoélément d'un type et les thermoéléments voisins de l'autre type puissent être assurés seulement par l'intermédiaire des échangeurs, - puis on effectue des soudures entre ces thermoéléments et ces échangeurs de manière à les mettre en bon contact électrique et thermique, caractérisé par le fait que - on dispose ladite succession de thermoéléments (34, 38) et d'échangeurs (32, 36) sous la forme d'un empilement s'étendant selon un axe (21). - puis on effectue toutes lesdites soudures au cours d'un seul traitement thermique au cours duquel on exerce sur l'empilement une pression selon son axe. 11/ Générateur d'électricité caractérisé par le fait qu'il est constitué par une pompe à chaleur selon la revendication 1.