Brevet FR2463372A1 — publié le 19810220

La présente invention, due aux travaux de MM. Michel BERTHET, Jean Claude KERMARREC et Robert RAVELET des Laboratoires de MARCOUSSIS, Centre de recherches de la Compagnie Générale d'Electricité, concerne un dispositif thermoélectrique à transfert de chaleur entre un premier fluide liquide et un deuxième fluide. Un tel dispositif comporte des thermoéléments (éléments thermoélectriques) montés entre des conducteurs thermiques associés à des échangeurs chauds parcourus par un fluide chaud et à des échangeurs froids parcourus par un fluide froid. Les thermoéléments sont de deux types, à savoir les thermoéléments de type P, qui transfèrent la chaleur dans le sens du courant électrique, et les thermoéléments de type N, qui la transfèrent dans le sens inverse du courant électrique. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour engendrer un courant électrique continu lorsque les conducteurs thermiques sont maintenus à des températures différentes par le fluide chaud et le fluide froid, ou, au contraire, pour maintenir ces condueteurs thermiques à des températures différentes en vue de chauffer ou de refroidir un fluide par rapport à l'autre en faisant circuler un courant électrique continu dans les thermoéléments. Dans ce cas la chaleur est amenée aux thermoéléments et aux conducteurs thermiques par les échangeurs froids et transférée aux échangeurs chauds. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement à ce dernier type de dispositifs, les thermoéléments étant alimentés en courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre les conducteurs thermiques. Un tel dispositif, appelé "pompe à chaleur", peut aussi être utilisé à des fins de climatisation en réchauffant ou en refroidissant un fluide à partir de l'atmosphère ambiante. Pour la construction de dispositifs thermoélectriques, on a déjà proposé de leur faire comporter des rangées de thermoéléments disposées selon une direction OZ et parcourus par un courant électrique continu dont le sens est, lorsqu'on suit la rangée, alternativement selon une direction OX et selon la direction opposée XO. (Pour indiquer les diverses directions dans l'espace on se repère à un trièdre trirectangle OXYZ définissant des directions OX, par exemple de gauche à droite, OY, par exemple d'avant en arrière, OZ par exemple de bas en haut, et des plans verticaux tels que XOZ ou YOZ, et horizontal tel que XOY). Sur les deux faces opposées de ces thermoéléments parallèles à YOZ sont soudés des échangeurs thermiques permettant le transfert de chaleur d'un fluide froid à un fluide chaud. La structure mécanique est prévue pour concilier les impératifs d'étanchéité concernant les circuits de fluide avec la présence de dilatations thermiques différentielles. Dans le cas de dispositifs de dimensions importantes les déplacements relatifs dûs à ces dilatations sont eux aussi importants et la réalisation de cette structure est rendue particulièrement délicate par le fait que les thermoéléments connus à base de tellurure de bismuth sont extremement fragiles. Il en résulte en pratique des fractures de ces thermoéléments. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif thermoélectrique à transfert de chaleur entre un premier fluide liquide et un deuxième fluide permettant d'éviter de manière simple les fractures de thermoéléments fragiles tout en ayant un bon rendement thermique et en conservant un faible encombrement. Elle a pour objet un dispositif thermoélectrique a transfert de chaleur entre un premier fluide liquide et un deuxième fluide comportant - une rangée de thermoéléments disposée selon une direction OZ, chacun de ces thermoéléments présentant une première face vers une direction OX inclinée, sur la direction OZ, et une deuxième face opposée à la première, - cette rangée étant munie de conducteurs thermiques d'un premier type soudés sur les premières faces des thermoéléments, - de conducteurs thermiques d'un deuxième type soudés sur les deuxièmes faces des thermoéléments, - et de moyens pour faire parcourir les thermoéléments par un courant électrique parallèlement à la direction OX, ce courant s'écoulant selon la direction OX ou selon la direction opposée XO selon que le thermoélément est de type P ou N de manière à ce que le thermoélément transfère de la chaleur dans un même sens quelque soit son type entre les échangeurs du premier type et les échangeurs du deuxième type, - le dispositif comportant en outre un premier circuit de fluide liquide en contact thermique avec les conducteurs du premier type, - et un deuxième circuit de fluide pour faire circuler un deuxième fluide en contact thermique avec les conducteurs du deuxième type de manière à réaliser un transfert de chaleur entre les deux fluides, caractérisé par le fait que les conducteurs thermiques du premier type et le premier circuit de fluide constituent une structure suffisamment souple pour que, lorsque des dilatations ou contractions se produisent sous l'action des variations de température, les déplacements des thermoéléments et des conducteurs thermiques du premier type soient imposés par les déplacements des conducteurs thermiques du deuxième type. 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 partiellement éclatée d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une vue de coté partiellement déchirée du même dispositif. La figure 3 représente une vue de face coupée du même dispositif. Le dispositif décrit fonctionne thermiquement entre un premier fluide qui est de liteau constituant la source froide, et un deuxième fluide qui est de l'air constituant la source chaude. Cet air est chauffé grâce au refroidissement de l'eau plus froide, c'est-à-dire que le dispositif constitue une pompe à chaleur eau-air. Cette pompe comporte un certain nombre de rangées verticales (direction OZ) de thermoéléments telles que R1, R2, R10; R'1, R'2 identiques et disposées selon deux lignes de direction OY telles que R1, R2, ...Rn, et R'1, R'2.... disposées symétriquement par rapport à un plan médian parallèle à YOZ non représenté. La rangée R1 sera plus particulièrement décrites. Les thermoéléments sont régulièrement espacés dans chaque rangée, de même que les rangées dans chaque ligne. Chaque rangée peut être décrite comme une succession d'étages comportant chacun un conducteur thermique à eau, c'est-à-dire du premier type faisant partie d'un échangeur thermique à eau, un thermoélément d'un type de conductivité P ou N, un conducteur thermique à air, c' est-à-dire du deuxième type faisant partie d'un échangeur thermique à air, l'étage précédent et l'étage suivant comportant un thermoélément d'un type de conductivité opposé. Trois circuits sont connectés à ces rangées à savoir un circuit électrique, et un premier et un deuxième circuits de fluides qui sont un circuit d'eau et un circuit d'air. Le circuit électrique est destiné à faire traverser les thermoéléments par un courant électrique continu dirigé selon OX, par exemple pour les thermoéléments de rang pair tels que T2, et selon XO pour les thermoéléments de rang impair tels que T1 et T3, les connexions électriques nécessaires étant réalisées entre thermoéléments successifs de chaque rangée par l'intermédiaire des conducteurs thermiques alternativement du premier et du second type. Les rangées sont alimentées successivement en série à partir de deux bornes telles que 2 disposées chacune à une extrémité convenable de l'une des deux rangées situées aux deux extrémités d'une ligne. Une telle connexion en série permet d'obtenir une impédance acceptable de la pompe à chaleur malgré l'impédance très faible de chaque rangée.Les connexions entre rangées sont réalisées par des barrettes telles que 4 disposées alternativement en partie basse et en partie haute. L'ensemble des circuits d'air du dispositif est essentiellement constitué par deux conduits d'air verticaux tels que 28 correspondant chacun à une ligne et formant deux nappes d'air symétriques à gauche et à droite du dispositif. Chaque conduit tel que 28 est limité principalement par deux parois verticales parallèles au plan YOZ (figures 2 et 3), une paroi interne 34 constituée par une tôle d'acier ou d'aluminium, et une paroi externe 32 rendue par exemple isolante par la présence d'une couche de doublage 33 et dont le rôle est de canaliser la circulation d'air et d'éviter l'introduction d'objets susceptibles d'obstruer le conduit. Il peut être de plus limité à l'avant et l'arrière par deux plaques parallèles au plan XOZ et non représentées. Tout le volume du conduit est occupé par un ensemble de blocs d'échange thermiques tels que 26 constitués par des ailettes verticales présentant une grande surface d'échange thermique avec l'air, comme connu. Chacun de ces blocs fait partie d'un (ou plusieurs) échangeurs thermiques à air comportant un conducteur thermique à air. Ces blocs se succèdent verticalement en regard d'une rangée, et horizontalement d'avant en arrière, en regard des rangées successives de la ligne. Ils sont constitués d'un métal bon conducteur thermique tel que l'aluminium. Ils sont fixés à la paroi interne 34 par soudure.Pour éviter qu'ils ne créent des courts circuits thermiques ils peuvent être séparés les uns des autres s'ils sont en métal très bon conducteur tel que le cuivre ou l'aluminium ; ltéchangeur à air peut être monobloc s'il est réalisé en feuillard d'acier. Les thermoéléments sont connectés thermiquement à la tôle 34 par 1' inter- médiaire des conducteurs thermiques du deuxième type constitués par exemple par des blocs de conduction thermique 36, faits d'aluminium, et collés par leur face externe sur cette tôle par l'intermédiaire d'une mince couche de colle électriquement isolante. La face opposée porte une protubérance sur laquelle est soudé un thermoélément, l'épaisseur diminuant à partir de cette protubérance pour éviter autant que possible les court-circuits thermiques par rapport aux échangeurs à eau. Pour assurer les connexions électriques nécessaires entre deux thermoéléments successifs tels que T2 et T3 ou plus généralement T2n et T2n+1, n étant un nombre entier, et faciliter la fabrication et le montage des conducteurs thermiques à air, ceux-ci sont fabriqués par paires, sauf au début (et à la fin de la rangée si, comme représenté -le nombre de thermoéléments est pair). Chaque paire est constituée d'un seul bloc tel que 36 dont la face interne porte deux protubérances. Le circuit d'eau comporte, pour chaque ligne, un collecteur d'entrée 6 amenant de l'eau tiède (150C) et un collecteur de sortie 8, emmenant de l'eau refroidie (oc), ces deux collecteurs étant disposés parallèlement à OY au-dessus et au-dessous de la ligne de rangées. Les rangées sont alimentées en parallèle entre ces deux collecteurs, chacune par un conduit tel que 10 qui traverse en série tous les échangeurs thermiques a eau de la rangée. L'extrémité inférieure de ce conduit est située sensiblement à la verticale de son extrémité supérieure, mais il présente entre les deux une forme sinueuse complexe constituée par une succession alternée de tronçons de raccordement tels que 14 et de tronçons d'échange thermique tels que 12 (voir figure 2). Chaque tronçon d'échange thermique est disposé dans un plan vertical parallèle à OY, au contact d'un conducteur thermique 16 à eau. Il est courbé de manière à arriver sur le conducteur thermique et à en sortir sur un même côté de la rangée, par exemple le côté arrière. Il présente dans ce plan, la forme d'un U dont les branches sont parallèles à la direction OY, et soudées dans des rainures formées par pliage dans la plaque de cuivre constituant ce conducteur, cette disposition en U augmentant la surface d'échange thermique et facilitant le montage. Une branche est au-dessus d'un thermoélément soudé à la plaque de cuivre et l'autre au-dessous. Sa section est sensiblement circulaire pour faciliter sa fabrication. Chaque tronçon de raccordement présente la forme d'un U médian entre deux U extrêmes. Le U médian est disposé dans un plan parallèle à YOZ, les branches du U étant parallèles à OY, l'une au-dessus l'autre au-dessous. Les deux U extrêmes sont superposés dans les deux plans horizontaux des deux branches du U médian de manière à se raccorder d'une part à ces deux branches et d'autre part aux extrémités des tronçons d'échange thermique traversant deux conducteurs thermiques à eau se succèdant dans la pile. Tous les tronçons d'échange thermique se superposent, de même que les tronçons de raccordement. Le U médian a notamment pour fonction de rendre le circuit d'eau suffisamment souple en facilitant la déformation du tronçon d'échange thermique. Les tronçons d'échange thermique doivent présenter une résistance thermique faible à la traversée de leur paroi. Les tronçons de raccordement doivent présenter une résistance électrique longitudinale forte et pourraient dans certains cas être constitués d'un matériau isolant tel que le polychlorure de vinyle. Il a cependant été trouvé préférable d'éviter des collages, couteux en main d'oeuvre si on veut qu'ils soient certainement étanches, et, pour cela, de constituer l'ensemble du conduit par un seul tube métallique uniforme d'épaisseur de paroi suffisamment faible -(inférieure à 0,3 mm), en un métal relativement résistant électriquement et mécaniquement. Ce matériau est l'acier inoxydable. Dans l'exemple décrit l'épaisseur est de 0,1 mm, le diamètre extérieur, étant de 2,5 mm.Il semble actuellement difficile de diminuer encore cette épaisseur. La résistance électrique est augmentée par l'allongement résultant de la présence du U médian. Les tronçons d'échange thermique sont soudés aux conducteurs thermiques à eau, tels que 16, et coopèrent avec eux pour constituer des échangeurs thermiques à eau, c'est-à-dire que ces conducteurs thermiques, qui font partie de la rangée, transmettent directement la chaleur entre l'eau et les thermoéléments de la pile. Dans le but d'assurer la connexion électrique nécessaire entre deux thermoéléments successifs tels que T1 et T2 ou plus généralement tels que T2n-1 et T2n, n étant un nombre entier, et de faciliter la fabrication et le montage des conducteurs thermiques à eau, ceux-ci sont fabriqués par paires. Chaque paire est formée à partir d'une bande de cuivre convenablement pliée (voir figures 1 et 3). La longueur de cette bande est disposée selon OZ et sa largeur selon OY. Les deux portions extrêmes de cette bande constituent les deux conducteurs thermiques et sont planes, sauf les rainures destinées à recevoir le conduit d'eau.La portion intermédiaire 17 de la longueur de la bande est pliée en forme de U avec les branches du U sensiblement perpendiculaires aux portions extrêmes, c'est-à-dire parallèles à OX, et la base du U en forme de demi-cercle étant plus loin de la rangée de thermoéléments que les -portions extrêmes. La longueur de ces branches est choisie suffisante pour assurer une souplesse évitant tout effort excessif sur les thermoéléments par l'intermédiaire de la liaison mécanique ainsi créée, la forme de ce U peut être éventuellement modifiée pour augmenter encore la souplesse. Cette longueur est par exemple de 6mm si la bande présente une largeur de 25mm et une épaisseur de 0,8mm, cette épaisseur pouvant être réduite à 0,6mm dans la base du U. La connexion électrique peut bien entendu, au lieu d'être réalisée par une bande cuivre pliée en U, l'entre par un empilage de bandes de clinquant de cuivre soudées sur les deux conducteurs thermiques. Les thermoéléments sont soudés sur les portions extrêmes par l'intermédiaire de pions circulaires 18. La rigidité de chaque rangée et de la ligne de rangée est assurée par la tôle 34, qui est fixée par les moyens habituels au bâti du dispositif, les deux lignes de rangées étant disposées entre les deux tôles 34 qui les maintiennent. La pompe à chaleur eau-air ainsi réalisée peut être avantageusement utilisée pour le chauffage de l'air d'une pièce d'habitation à partir d'un circuit d'eau. REVENDICATIONS 1/ Dispositif thermoélectrique à transfert de chaleur entre un premier fluide liquide et un deuxième fluide comportant - une rangée (R1) de thermoéléments (T1, T2, T3) disposée selon une direction OZ, chacun de ces thermoéléments présentant une première face vers une direction OX inclinée sur la direction OZ, et une deuxième face opposée à la première, cette rangée étant munie - de conducteurs thermiques d'un premier type (16) soudés sur les premières faces des thermoéléments, - de conducteurs thermiques (36) d'un deuxième type soudés sur les deuxièmes faces des thermoéléments, - et de moyens (2, 4) pour faire parcourir les thermoéléments par un courant électrique parallèlement à la direction OX, ce courant s'écoulant selon la direction OX ou selon la direction opposée XO selon que le thermoélément est de type P ou N de manière à ce que le thermoélément transfère de la chaleur dans un même sens quelque soit son type entre les échangeurs du premier type et les échangeurs du deuxième type, - le dispositif comportant en outre un premier circuit de fluide (10) pour faire circuler un premier fluide liquide en contact thermique avec les conducteurs du premier type, - et un deuxième circuit de fluide (28) pour faire circuler un deuxième fluide en contact thermique avec les conducteurs du deuxième type de manière à réaliser un transfert de chaleur entre les deux fluides, caractérisé par le fait que les conducteurs thermiques du premier type (16) et le premier circuit de fluide (10) constituent une structure suffisamment souple pour que, lorsque des dilatations ou contractions se produisent sous l'action des variations de température, les déplacements des thermoéléments (T1, T2, T3) et des conducteurs thermiques du premier type (16) soient imposés par les déplacements des conducteurs thermiques du deuxième type (36). 2/ Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier circuit de fluide est con#stitué par un conduit de liquide (10) comportant une succession de tronçons d'échange thermique (12) soudés aux conducteurs thermiques du premier type (16) de manière à constituer des échangeurs thermiques d'un premier type, les tronçons d'échange thermique successifs étant raccordés en série par des tronçons de raccordement (14), caractérisé par le fait que ces tronçons de raccordement (14) présentent une forme sinueuse facilement déformable élastiquement de manière à augmenter la souplesse du circuit (10). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque conducteur thermique du premier type (16) présente la forme d'une plaque métallique sensiblement perpendiculaire à la direction OX, - chaque tronçon d'échange thermique (12) dudit conduit de liquide (10) étant constitué par un tube métallique coudé en forme de U et soudé au moins par ses branches sur cette plaque, ses branches étant parallèles à une direction OY sensiblement perpendiculaire aux directions OX et OZ. 4/ Dispositif selon la revendication 3, cåractérisé par le fait que chaque tronçon de raccordement (14) présente la forme d'une succession de trois U raccordés aux deux U des deux tronçons d'échange thermique de part et d'autre de ce tronçon de raccordement, avec alignement de la branche de sortie d'un U avec la branche d'entrée du U suivant, ces trois U étant un U médian entre deux U extrêmes, le U médian étant disposé dans un plan parallèle à YOZ avec des branches parallèles à OY, les deux U extrêmes étant superposés dans deux plans perpendiculaires à OZ. 5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les donducteurs thermiques du premier type (16) sont réunis par paires de deux conducteurs thermiques consécutifs, chaque paire étant formée par une bande dont la longueur est disposée selon OZ, les deux portions extrêmes de cette bande étant planes et constituent les deux conducteurs thermiques (16), une portion intermédiaire (17) de cette bande étant pliée en forme de U avec les branches du U sensiblement perpendiculaires aux portions extrêmes, de manière que la présence de cette portion intermédiaire assure une connexion électrique souple entre les deux conducteurs thermiques (16) du premier type de la paire et entre les deux thermoéléments consécutifs (T1, T2) soudés à ces conducteurs thermiques, - une connexion électrique étant prévue entre deux conducteurs thermiques consécutifs du deuxième type (36) lorsque ces deux conducteurs sont soudés sur les deuxièmes faces de deux thermoéléments (T2, T3) dont les premières faces sont soudées à deux conducteurs thermiques du premier type (16) appar tenantaà deux paires consécutives, de manière à permettre au courant électrique de passer d'un thermoélément (T2) au suivant (T3) alternativement par ces connexions électriques entre conducteurs thermiques du deuxième type et par lesdites bandes comportant une paire de conducteurs thermiques du premier type (16). 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdites bandes sont en outre pliées dans leurs deux portions extrêmes (16) pour former des rainures recevant les branches du U desdits tronçons d'échange thermique (12). 7/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite connexion électrique entre deux conducteurs thermiques du deuxième type est réalisée par le fait que ces deux conducteurs thermiques sont constitués par un même bloc de conduction thermique (36), - les blocs de conduction thermique (36) successifs de la rangée étant collés par une face externe sur une face interne d'une même tôle métallique plane (34) par l'intermédiaire d'une colle électriquement isolante. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé# par le fait que les thermoéléments (T2, T3) sont soudés sur des protubérances d'une face interne desdits blocs de conduction thermique, l'épaisseur de ces blocs décroissant à partir de ces protubérances de manière à augmenter la distance moyenne et la résistance thermique entre ces blocs et les conducteurs thermiques du premier type (16). 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que des blocs d'échange thermique à ailettes (26) sont soudés sur la face externe de ladite tôle métallique (34) pour assurer un bon échange thermique avec un deuxième fluide gazeux.