Brevet FR2496853A1 — publié le 19820625

Perfectionnements apportés aux installations thermo-électriques. L'invention est relative, d'une façon générale, aux installations thermo-électriques comportant des thermo-éléments montés entre deux parois d'échanges ther ques, 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 tem pératures différentes ou, au contraire, pour extraire de la chaleur d'une paroi appelée L'paroi froide" et en évacuer par une paroi appelée "paroi chaude", lorsqu'un courant électrique continu circule dans les thermo éléments. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, aux installations de ce dernier type, les thermo-éléments étant alimentés en courant électrique continu pour extraire de la chaleur d'une paroi froide et en évacuer par une paroi chaude. Une telle installa tion, appelée "pompe à chaleur", peut être utilisée pour produire "du chaud" ou "du froid". En effet, les thermo-eléments sont de deux types, à savoir les thermo éléments de type P qui transfèrent des calories dans le sens du courant, et les thermo-éléments du type N qui transfèrent des calories dans le sens inverse du courant. Pour réaliser de telles installations, on a déjà proposé de faire coopérer chaque paroi,chaude ou froide, avec un tube chaud ou froid dans lequel circule un fluide chaud. C'est ainsi que l'on connait des installations ther mo-électriques comportant - un premier réseau de tubes chauds parallèles et dans lesquels circule un fluide chaud, - un second réseau de tubes froids parallèles, disposés parallèlement aux tubes chauds du premier réseau, et dans lesquels circule un fluide froid. Les thermo-éléments sont alors montés, généralement avec interposition d'une paroi chaude et d'une paroi froide, entre les susdits tubes chauds et les susdits tubes froids. Dans une installation de ce type, il se produit des dilatations différentes entre les tubes chauds du premier réseau et les tubes froids du second réseau ; il en résulte des contraintes mécaniques élevées, notamment des contraintes de cisaillement, dans les thermo-éléments montés entre les tubes chauds et les tubes froids. Ces contraintes mécaniques peuvent dépasser la limite élastique du matériau constituant les thermo-éléments, limite élastique qui est très faible, généralement de 1 à 2 daN/mm2. Pour remédier à cet inconvénient et éviter une détérioration mécanique des thermo-éléments, on a proposé un certain nombre de solutions qui sont rappelées ciaprès. On a proposé d'intercaler, entre des tronçons de tubes rigides, des soufflets en matière flexible susceptibles d'absorber les déformations dues aux variations de température , cependant, cette solution présente l'incon- vénient de nécessiter des liaisons étanches entre chaque tronçon tubulaire et chaque soufflet ; il existe donc un risque de fuite. Dans ce cas aussi, la présence des soufflets engendre des pertes de charge pour le fluide. On a également proposé de maintenir les thermoéléments dans une carcasse rigide isolée thermiquement des tubes et d'interposer, entre les thermo-éléments et les tubes, des contacts glissants permettant des déplacements relatifs entre chaque thermo-élément et chaque tube, la contrainte mécanique s'exerçant sur chaque thermo-élément ne dépendant alors que de la force de frottement du contact glissant , cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car les contacts glissants provoquent une résistance thermique qui diminue le rendement de l'installation, cette résistance thermique risquant, de plus, d'augmenter pendant la durée d'utilisation de l'installation. Par ailleurs, la solution consistant à immobiliser les thermo-éléments et prévoir des contacts glissants est complexe et coûteuse. On constate donc que toutes les solutions envisagées sont basées sur une libre dilatation des tubes chauds et des tubes froids, et que ces solutions, bien que résolvant, au moins en partie les problèmes posés par les contraintes mécaniques au niveau des thermoéléments, présentent des inconvénients de tous ordres. L'invention a précisément pour but de resoudre le problème des contraintes mécaniques au niveau des thermo-éléments en proposant une solution qui est simple à réaliser, qui ne provoque pas de perte de charge pour le fluide, qui ne pose pas de problème d'étanchéité, qui n'introduit pas de résistance thermique de contact, et qui présente une grande fiabilité de fonctionnement. A cet effet, l'installation comporte - au moins deux plaques chaudes parallèles fixées à chacun des tubes chauds, respectivement vers leurs deux extrémités et sensiblement orthogonales aux tubes, ces deux plaques chaudes présentant des orifices qui laissent passer librement les tubes froids, - au moins deux plaques froides parallèles fixées à chacun des tubes froids, respectivement vers leurs deux extrémités et sensiblement orthogonales aux tubes, ces deux plaques froids présentant des orifices qui laissent passer librement les tubes chauds. Chaque plaque chaude et chaque plaque froide correspondant à l'une des deux extrémités des tubes chauds et des tubes froids sont disposées de manière à pouvoir coopérer entre elles par appui, et des moyens d'isolation thermique sont interposés entre les deux susdites plaques chaude et froide. Si l'installation est prévue pour un fonctionnement dans lequel on ne change pas le sens du courant électrique qui traverse les thermo-éléments, la plaque froide est du côté extérieur de l'installation, et la plaque chaude est du côté intérieur de l'installation, cette plaque chaude étant en appui sur la plaque froide dès que l'installation est en fonctionnement. Si l'installation est prévue pour un fonctionnement dans lequel on change le sens du courant électrique qui traverse les thermo-éléments, les positions respectives de la plaque chaude et de la plaque froide changent suivant le sens du courant dans ces thermo-éléments, et il est alors nécessaire de prévoir, entre chaque plaque chaude et chaque plaque froide se correspondant, des moyens de fixation pour les maintenir en appui l'une contre l'autre. Dans une installation thermo-électrique de ce type, les plaques chaudes et les plaques froides s'opposent à la dilatation des tubes. Les tubes chauds subissent une contrainte de compression alors que les tubes froids subissent une contrainte de traction. Ces contraintes sont fonction uniquement des écarts de température, du module d'élasticité de la matière constituant les tubes, et du coefficient de dilatation de la matière constituant les tubes. Pour des écarts de température de l'ordre de 300 C - qui sont courants dans les installations thermoélectriques fonctionnant en "pompe à chaleur" -, ces contraintes sont inférieures à la limite élastique de la plupart des matériaux susceptibles de constituer les tubes. L'invention consiste, mises a part les dispositions dont il vient d'etre question, en certaines autres. dispo- sitions qui s'utilisent 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 un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1 de ces dessins est une vue en coupe schématique d'une installation établie conformément à l'invention. La fig. 2 est une coupe selon Il-Il fig. 1. La fig. 3 est une vue perspective schématique de l'ensemble de cette installation. L'installation montrée sur les fig. 1 à 3 comporte des thermo-éléments 1, montés entre deux parois d'échanges thermiques, à savoir une paroi d'échanges thermiques chaude 2 et une paroi d'échanges thermiques froide 3. L'installation est du type "pompe à chaleur" et les thermo-éléments 1 sont alimentés par une source de courant continu (non représentée) afin de maintenir les faces des thermo-éléments à des températures différentes. Chaque paroi chaude 2 et froide 3 coopère, respectivement, avec un tube chaud 4 et avec un tube froid 5. L'installation comporte donc, - un premier réseau de tubes chauds 4 parallèles et dans lesquels circule un fluide chaud, dans le mode de réalisation représenté, un liquide chaud, - un second réseau de tubes froids 5 parallèles, disposés parallèlement aux tubes chauds 4 du premier réseau, et dans lesquels circule un fluide froid, dans le mode de réalisation représenté, un liquide froid. Les thermo-éléments 1 sont alors montés, avec interposition de la paroi chaude 2 et de la paroi froide 3, entre les susdits tubes chauds 4 et les susdits tubes froids 5. Pour éviter que les thermo-éléments ne soient soumis à des contraintes mécaniques de cisaillement et/ou de flexion excessives,l'installation comporte en outre, - deux plaques chaudes 6 et 7, parallèles entre elles et fixées à chacun des tubes chauds 4 respectivement vers leurs deux extrémités 4 et 4b, ces deux plaques a et 4b' ces deux plaques chaudes 6 et 7 présentant des orifices 8 qui laissent passer librement les tubes froids 5, - deux plaques froides 9 et lo, parallèles entre elles et fixées à chacun des tubes froids 5 respective ment vers leurs deux extrémités 5 et 5 ces deux a b' plaques froides 9 et 10 présentant des orifices 11 qui laissent passer librement les tubes chauds 4. Chaque plaque chaude 6 ou 7 et chaque plaque froide 9 ou 10, correspondant à l'une des deux extrémi tés 4a 5 ou 4 5b des tubes chauds 4 et des tubes a b'b froids 5, sont disposées de manière à pouvoir coopérer entre elles par appui. Des moyens d'isolation thermique 12 sont interposés entre chaque plaque chaude 6 ou 7 et chaque plaque froide 9 ou lo lui correspondant. Si l'installation est prévue pour un fonctionnement dans lequel on ne change pas le sens du courant électrique qui traverse les thermo-éléments, la plaque froide 9 ou 10 est du côté extérieur de l'installation, et la plaque chaude 6 ou 7 est du côté intérieur de l'installation ; cette plaque chaude 6 ou 7 se trouve alors en appui sur la plaque froide 9 ou lo correspondante dès que l'installation est en fonctionnement. Une telle installation se rencontre dans des dispositifs de réfrigération dans lesquels on désire uniquement créer un apport de fluide froid aux enceintes à climatiser. Si l'installation est prévue pour un fonctionnement dans lequel on change le sens du courant électrique qui traverse les thermo-éléments, les positions respectives de la plaque chaude 6 ou 7 et de la plaque froide 9 ou 10 changent suivant le sens du courant dans les thermoéléments et il est alors nécessaire de prévoir, entre chaque plaque chaude 6 ou 7 et chaque plaque froide 9 ou lo se correspondant, des moyens de fixation 13 pour les maintenir en appui l'une contre l'autre. Une installation de ce type se rencontre dans des dispositifs de climatisation dans lesquels on désire diriger vers les enceintes à climatiser, soit un apport d'air froid, soit un apport d'air chaud. De tels moyens de fixation 13 peuvent avantageusement être constitués par des boulons traversant la plaque chaude 6 ou 7 et la plaque froide 9 ou 10 lui correspondant. De préférence, les trous de passage de ces boulons sont allongés, soit dans les plaques chaudes, soit dans les plaques froides, soit dans les deux, dans la direction selon laquelle les thermo-éléments 1 sont maintenus en appui sur leur paroi chaude 2 et leur paroi froide 3. Pour obtenir ce maintien en appui, on peut faire appel à des tirants 14 coopérant avec des étriers 15 et 16 (fig. 2). Le montage de l'installation s'opérerait alors en mettant d'abord la mise en appui des thermo-éléments 1 par serrage des tirants 14 sur leurs étriers 15 et 16, puis en procédant ensuite à la mise en action des moyens de fixation 13 de la plaque chaude 6 ou 7 sur la plaque froide 9 ou 10. A titre d'exemple, on va donner ci-après quelques matériaux utilisés pour les tubes, en indiquant les contraintes prenant naissance dans les tubes lorsque l'installation fonctionne avec un écart de température de 300 C: 2 - Polyéthylène : la contrainte est de 0,3 daN/mm , ce qui est acceptable puisque la limite élastique de 2 ce matériau est de 4 daN/mm2. - Polytétrafluoréthylène : la contrainte est de 0,1 daN/mm2 ce ce qui est acceptable puisque la limite élastique de ce matériau est de 2 daN/mm2. - Cuivre au quart écroui : la contrainte est de 6,4 daN/mm2 ce ce qui est acceptable puisque la limite 2 élastique de ce matériau est de 21 daN/mm 2 - Invar : la contrainte est de 0,5 daN/mm , contrainte très faible en raison du faible coefficient de dilata tion de ce matériau dont la limite élastique est de 30 à 75 daN/mm2. 2 - Acier inoxydable : la contrainte est de 10,2 daN/mm ce qui est acceptable puisque la limite élastique de ce matériau est de 40 daN/mm2. Pour des raisons constructives, si l'on craint un flambage des tubes chauds (4) soumis à une contrainte de compression, il est possible de disposer, entre les plaques chaudes 6,7 et les plaques froides 9,10 d'extrémités, deux plaques intermédiaires 17,18 l'une chaude 17 fixée aux tubes chauds 4 et pré- sentant des orifices 19 pour laisser passer librement les tubes froids 5 , et l'autre froide 18 fixée aux tubes froids 5 et présentant des orifices 20 pour laisser passer librement les tubes chauds (fig 3). Ces deux plaques intermédiaires 17, 18 sont disposées de manière à pouvoir coopérer entre elles par appui, et des moyens d'isolation thermique sont interr posés entre la plaque intermédiaire chaude et la plaque intermédiaire froide. En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, l'installation conforme à l'invention a pratiquement éliminé tous les problèmes concernant la dilatation différentielle entre les tubes chauds et les tubes froids ; en conséquence, le fonctionnement d'une telle installation présente une fiabilité et une longévité sensiblement plus importantes que la fiabilité et la longévité que l'on peut rencontrer dans les installations classiques établies comme il a été rappelé au début de la présente description. 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. Parmi les variantes possibles de l'installation, il faut signaler les variantes dans lesquelles les plaques chaudes et les plaques froides seraient remplacées par d'autres moyens de liaison mécanique.L'installation comporterait alors au moins deux séries de moyens de liaison mécanique dit "moyens chauds" 6,7 , fixés à chacun des tubes chauds 4 respectivement vers leurs deux extrémités 4a 4b w ces moyens chauds 6,7 laissant passer librement les tubes froids 5 et au moins deux autres séries de moyens de liaison mécanique dits "moyens froids" 9,10 , fixés à chacun des tubes froids 5 respectivement vers leurs deux extrémités 5at 5b , ces a b ces moyens froids 9,10 laissant passer librement les tubes chauds 4 , chaque moyen chaud 6,7 ou#chaque moyen froid 9,10 correspondant à l'une des deux extrémités 4a, 5 ou 4b 5b des a a b' b tubes chauds 4 et des tubes froids 5 étant disposés de manière à pouvoir coopérer entre eux par appui des moyens d'isolation thermique 12 étant interposés entre chaque moyen chaud 6,7 et chaquemoyen froid 9,10 lui correspondant. REVENDICATIONS 1.- Installation thermo-électrique comportant un premier réseau de tubes chauds (4) parallèles et dans lesquels circule un fluide chaud ; un second réseau de tubes froids (5) parallèles, disposés parallèlement aux tubes chauds (4) du premier réseau, et dans lesquels circule un fluide froid ; et des thermo-éléments (1) montés entre les susdits tubes chauds (4) et les susdits tubes froids (5) ; caractérisée par le fait qu'elle comporte, en outre, au moins deux séries de moyens de liaison mécanique, dits "moyens chauds (6,7), fixés à chacun des tubes chaud (4) respectivement vers leurs deux extrémités (4at 4b) ces moyens chauds (6,7) laissant passer librement les tubes froids (5) ; et au moins deux autres séries de moyens de liaison mécanique, dits "moyens froids" (9,10), fixés à chacun des tubes froids (5) respectivement vers leurs deux extrémités (5,~ 5b)' ces moyens froids (9,10) laissant passer librement les tubes chauds (4) ; chaque moyen chaud (6,7) ou chaque moyen froid (9,10) correspondant à l'une des deux extrémités (4a 5a) ou (4bw 5b) des tubes chauds (4) et des tubes froids (5) étant disposés de manière à pouvoir coopérer entre eux par appui des moyens d'isolation thermique (12) étant interposés entre chaque moyen chaud (6,7) et chaquemoyen froid (9,10) lui correspondant. 2.- Installation thermo-électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les deux séries de moyens de liaison mécanique sont constituées par au moins deux plaques chaudes (6,7), parallèles entre elles et fixées à chacun des tubes chauds (4) respectivement vers leurs deux extrémités (4a' 4b)' ces deux plaques chaudes (6, 7) présentant des orifices (8) qui laissent passer librement les tubes froids (5) , les deux autres séries de moyens de liaison mécanique sont constituées par au moins deux plaques froides (9,10), parallèles entre elles et fixées à chacun des tubes froids (5) respec tivement vers leurs deux extrémités (5a' 5b) ces deux plaques froides (9,10) présentant des orifices (11) qui laissent passer librement les tubes chauds (4) , chaque plaque chaude (6,7) ou chaque plaque froide (9,10) correspondant à l'une des deux extrémités (4 a' 5a) ou (4b' 5 1 des tubes chauds (4) et des tubes froids (5) étant disposées de manière à pouvoir coopérer entre elles par appui ; des moyens d'isolation thermique (12) étant interposés entre chaque plaque chaude (6,7) et chaque plaque froide (9,10) lui correspondant. 3.- Installation thermo-électrique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que des moyens de fixation (13) sont prévus, entre chaque plaque chaude (6,7) et chaque plaque froide (9,10) pour les maintenir en appui l'une contre l'autre. 4.- Installation thermo-électrique selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les moyens de fixation (13) sont constitués par des boulons (13 a traversant la plaque chaude (6,7) et la plaque froide (9,10) et par le fait que les trous de passage de ces boulons (13a) sont allongés dans la direction selon laquelle les thermo-éléments (1) sont maintenus en appui sur les tubes chauds (4) et les tubes froids (5), soit dans les plaques chaudes, soit dans les plaques froides, soit dans les deux.