Brevet FR2514113A1 — publié le 19830408

Pompe à chaleur thermoélectrique air-air La présente invention, due aux travaux de Robert RAVELET des Laboratoires de MARCOUSSIS, Centre de recherches de la Compagnie Générale d'Electricité, concerne une pompe à chaleur thermoélectrique air-air utilisable notamment pour le chauffage de locaux d'habitation. Une telle pompe comporte des thermoéléments (pastilles thermoélectriques) montés entre des échangeurs chauds parcourus par un fluide chaud et 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. Pour la construction de pompes thermoélectriques, on a déjà proposé de leur faire comporter une pile d'échangeurs chauds et froids électriquement conducteurs et séparés par des thermoéléments alternativement de types P et N, le courant électrique circulant dans le sens de l'empilement, ce sens étant vertical par exemple. - Chaque échangeur est parcouru par l'un des fluides selon une direction horizontale qui n'est pas la même selon qu'il s'agit du fluide froid ou du 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. La réalisation de cette structure est rendue particulièrement délicate par le fait que les thermoéléments connus à base de tellurure de bismuth sont extrêmement fragiles. Une telle structure est par exemple décrite dans le brevet américain nO 3 626 704 (Coe). Elle présente divers inconvénients dont l'un tient à la nécessité de maintenir la pile en compression permanente si l'on veut éviter des fractures des thermoéléments. Ceci peut etre obtenu en disposant un élément élastique comprimé à une extrémité de la pile. Un autre dispositif connu décrit par exemple dans le brevet français -nO 2 035 167 (Siemens) correspondant à une demande allemande nO P 1915 314 1 comporte un tel élément élastique. Dans ce dispositif les échangeurs chauds sont constitués par de simples lames qui sont interposées dans la pile et s'étendent vers par exemple la droite de la pile dans le cas des échangeurs chauds, les échangeurs froids s'étendant vers sa gauche, le fluide chaud circulant à droite et le fluide froid à gauche. Cette disposition connue ne permet pas dans le cas où les fluides chaud et froid sont de 1 'air, de concilier une bonne efficacité d'utilisation de la puissance des thermoéléments avec un faible encombrement et une bonne facilité de fabrication. La présente invention a pour but la réalisation d'une pompe à chaleur thermoélectrique air-air permettant de concilier une bonne efficacité d'utilisation de la puissance des thermoéléments avec un faible encombrement et une bonne facilité de fabrication. Elle a pour objet une pompe à chaleur thermoélectrique airair comportant - une pile s'étendant selon une direction "longitudinale en formant une succession de sections semblables les unes aux autres constituées elles mêmes chacune d'une première et d'une deuxième demies-sections comportant chacune, selon qu' elle est une première ou une deuxième demie-section - une pastille thermoélectrique de l'un ou de l'autre type de conductivité, - un axe d'échangeur thermique constitué d'un matériau bon conducteur thermique et électrique, - et des ailettes d'échange thermique s'étendant transversalement à partir de l'axe d'échangeur pour permettre un transfert de chaleur entre cet axe et un flux d'air "chaud" ou "froid" circulant au contact de ces ailettes -selon une direction "d'écoulement" sensiblement perpendiculaire aux directions longitudinale et transversale et pour constituer ainsi avec cet axe un échangeur "chaud" ou "froid" respectivement, - la pile comportant un échangeur d'extrémité supplémentaire pour que chaque pastille thermoélectrique soit insérée longitudi nalement en bon contact électrique et thermique entre un axe d'échangeur chaud et un axe d'échangeur froid, - la pompe comporte en outre un circuit d'alimentation électrique, pour faire circuler un courant unidirectionnel en série à travers tous les axes dléchangeurs et pastilles thermoélectriques de chaque pile de manière que chacun de ces thermoélements pompent de la chaleur d'un axe d'échangeur froid vers un axe d'échangeur chaud, - la longueur des axes d'échangeur étant supérieure à 10 fois l'épaisseur mesurée longitudinalement des -pastilles thermoélectriques la section de ces axes étant sensiblement la même quecelle de ces pastilles, - cette pompe étant caractérisée par le fait que les ailettes d'échange thermique de chaque échangeur s'étendent selon la direction transversale des deux côtés de l'axe d'échangeur pour permettre un transfert de chaleur entre cet axe et un flux d'air passant des deux côtés de cet axe, - les demies-sections s'étendant sur des parties successives la longeur de la pile sans recouvrement; - cette pompe comportant plusieurs piles s'étendant selon la même direction longitudinale et superposées selon la même direction d'écoulement de manière à constituer un panneau dans lequel les échangeurs chauds sont superposés-aux échangeurs chauds et les échangeurs froids aux échangeurs froids, et à permettre à chaque section d'une pile d'être traversée par un flux d'air chaudet par un flux d'air froid traversant chacune série toutes les piles du panneau. A l'aide des figures schématiques oi-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. es Sur ces figures les directions longitudinale, transversale et d'écoulement d'air sont représentés par des axes OX, OY et OZ respectivement, la direction d'écoulement OZ étant verticale. La figure 1 représente une vue partielle en perspective éclatée de trois piles superposées d'une pompe selon l'invention. La figure 2 représente une vue de l'une des ces piles en coupe par un plan longitudinal vertical. La figure 3 représente une vue de cette même pile en coupe par un plan horizontal. La figure 4 représente une vue de l'extrémité de cette môme pile, le plan de cette vue étant vertical transversal. La figure 5 représente une vue d'une pompe selon l'invention incluant deux panneaux juxtaposés dont l'un comporte les piles de la figure 1, en'coupe par un plan longitudinal vertical V-V de la figure 6. Les figures 6 et 7 représentent deux vues de la même pompe en coupe par deux plans verticaux transversaux VI-VI et VII-VII de la figure 5, respectivement. La pompe décrite présente la forme générale d'un parallélépipède rectangle dont la longueur selon OX est 88 cm environ, l'épaisseur selon OY de 22 cm environ, et la hauteur selon OZ de 82 cm environ. Elle est constituée essentiellement de deux panneaux verticaux et identiques Al et A2 juxtaposés à l'intérieur d'une enveloppe 23 (voir figure 6) et constitués chacun paruune superposition de piles P elles mêmes constituées par assemblage longitudinal. d'une succession alternee d'échange geurs 3, 4, 5 et de pastilles thermoélectriques 1, 2. Ces pastilles sont alternativement de type N et P. Les échangeurs sont alternativement "chauds" et "froids" c'est-à-dire parcourus par un flux d'air tiède à réchauffer (air intérieur) et par un flux d'air plus froid (air extérieur par exemple) sur lequel la chaleur doit être prélevée Chaque échangeur comporte à cette fin un axe 3 d'échangeur thermique constitué d'un matériau bon conducteur thermique et électrique. Des ailettes d'échange thermique 5 s'étendent transversalement à partir de cet axe pour permettre un transfert de chaleur entre cet axe et un flux d'air "ohaud" ou "froid1, circulant au contact de ces ailettes. L1 axe 3 présente par exemple un diamètre de 10,7 mm à ses extrémités, diamètre égal à celui des pastilles 1, 2 sur lesquelles il est brasé, et un diamètre accru (par exemple 12 mm) dans sa partie médiane sur laquelle sont soudées les ailettes 5 constituées de tôles rectangulaires planes perpendiculaires à l'axe. Ces tôles sont percées en leur centre d'un trou à bord relevé (5a) permettant le passage de llaxe tout en assurant une surface de contact maxiamle entre cet axe et cette tôle, et en permettant un montage aisé des tôles parallèlement entre elles. De préférence chaque échangeur 3, 4, 5 comporte en outre un capot 4, 4b s'étendant transversalement dans les deux sens à partir des deux extrémités de l'axe d'échangeur et se refermant longitudinalement au delà de l'extrémité des ailettes 5 de manière à délimiter un canal pour le flux d'air, ces ailettes et ce capot s'étendant entre deux plans perpendiculaires à la direction d'écoulement, de manière à faciliter la superposition des piles tout en obtenant une grande surface d'échange thermique. Pour faciliter le montage le capot est constitué de deux demis capots 4, 4b de part et d'autre d'un-plan coupant l'axe d'échangeur 3 et perpendiculaire à la direction longitudinale, chacun de ces demi-capots étant percé d'un trou central pour le passage d'une extrémité de l'axe d'échangeur. L'ensemble de l'échangeur est symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à son axe, les deux demi-capots étant disposés de part et d'autre de ce plan. Chaque demi-capot 4, comporte une aile latérale 4a de chaque côté de l'axe d'échangeur 3, quatre tirants longitudinaux 6 disposés symétriquement passant à travers des trous percés dans les ailes de tous les demi-capots des échangeurs de la pile. La pile comporte en outre à chacune de ses extrémités une plaque de transmission d'efforts 7 maintenue par ces tirants et appuyant longitudinalement sur les demi-capots extrêmes de la pile pour mettre celle-ci en compression.La succession des axes d'échangeur et de pastilles thermoélectriques 1, 2 est mise en compression longitudinale par l'intermédiaire de ces deux demis capots extrêmes qui s' appuient sur les extrémités extrêmes des deux axes d'échangeurs extrêmes, au moins un organe élastique compressible longitudinalement 8 étant disposé entre ces deux plaques de transmission d'efforts pour maintenir la compression malgré des dilatations thermiques différentielles. L'appui des deux demi-capots extrêmes sur les axes extrêmes se fait sur l'épaulement qui fait passer le diamètre de l'axe de la valeur de la zone d'extrémité à celle de la zone médiane. L'enveloppe 23 est percée d'une entrée haute 27 et d'une sortie basse 28 d'air froid reliées à des collecteurs 16, 18 longitudinaux, -d'une entrée d'air chaud basse 25 reliée à un collecteur longitudinal 16, de plusieurs sorties d'air chaud hautes 26 en nombre égal à celui des échangeurs chauds. Deux ventilateurs 21, 22 assurent la circulation des airs chaud et froid. On obtient ainsi à la fois des échanges thermiques efficaces, des raccordements de circuits d'air faciles et une bonne diffusion de l'air chaud échauffé par la pompe. Quoique une pompe selon l'invention ait été décrite cidessus comme adaptée au chauffage d'un local d'habitation en hiver, il doit être compris que le sens des transferts de chaleur peut être facilement inversé, par simple inversion du sens du courant électrique dans les piles, dans le but d'assurer un refroidissement du local en été les échangeurs chauds, les canaux d'air d'air chaud etc... devenant alors des échangeurg des canaux d'air froid etc... et réciproquement. C'est pourquoi le boitier d'alimentation électrique 20 comporte avantageusement un organe de commande 20a propre à réalisr une commutation dans le circuit d'alimentation électrique 20, 13 pour inverser le sens du courant électrique dans les pastilles semi-conductrices 1, 2, de manière à permettre à la pompe d'être utilisée pour le chauffage en hiver et pour le refroidissement en été sans modification des circuits d'air. On va donner ou rappeler ci-après les références de divers éléments de la pompe 1 - Pastille thermoélectrique de type N en tellurure de bismuth fritté brasée sur l'axe de l'échangeur (fig.1, 2 et 3). 2 - Pastille thermoélectrique de type P en tellurure de bismuth fritté brasée sur l'axe de l'échangeur. 3 - Axe d'un échangeur de chaleur en métal bon conducteur de la chaleur (aluminium ou cuivre) 4 - Demi-capot d'un échangeur de chaleur, le capot complet étant constitué de deux demi-capots symétriques 4 et.4b, et délimitant localement un canal d'air vertical commun à plusieurs piles horizontales. 5 - Ailette d'un échangeur de chaleur en metal bon conducteur de la chaleur (aluminium) 6 - Tirant longitudinal d'assemblage d'une pile d'échangeurs. Ces tirants sont au nombre de 4 par colonne et isolés élec triquement et passent par des trous dans des ailes latérales 4e des demi-capots. 7 - Plaque de transmission d'efforts, isolée électriquement, tirée par des tirants 7 pour comprimer l'axe d'une pile, cet axe étant constitué par l'ensemble des axes des échan geurs de la pile. 8 - Rondelles élastiques type Belleville disposées dans l'axe des piles, à leurs extrémités, pour assurer une compression permanente de chaque pile, sans variation appréciable de la force de compression lors des variations de température, et sans effort pour éviter tout risque de fracture des pastilles thermoélectriques, qui sont fragiles. 9 - Ecrou de serrage des tirants d'assemblage. 10 - Mousse d'isolation des échangeurs de chaleur d'une colonne. 11 - Sens d'écoulement de l'air "chaud" (en fait air intérieur tiède à échauffer). 1? - Sens d'écoulement de l'air "froid" (air extérieur froid à refroidir). 13 - Lame de connexion électrique entre les axes de deux piles superposées. 14 - Plaque d'isolation en caoutchouc souple entre deux piles adjacentes. 15 - Tirants verticaux d'assemblage du coeur thermoélectrique c' est-à-dire d'un ensemble constitué par juxtaposition latérale de deux panneaux résultant chacun de la superpo sition de plusieurs piles. 16 - Collecteur d'air inférieur. 17 - Isolation thermique du collecteur d'air inférieur. 18 - Collecteur d'air supérieur. 19 - Isolation thermique du collecteur d'air supérieur. 20 - Bottier alimentation électrique des piles en courant redressé, ce bottier étant lui même alimenté en courant alternatif par le secteur. 21 - Ventilateur de circulation d'air chaud. 22 - Ventilateur de circulation d'air froid. 23 - Enveloppe en tôle peinte de la pompe à chaleur. 24 - Isolation thermique de l'enveloppe. 25 - Entrée d'air chaud au bas à une extrémité "d'entrée" de la pompe. 26 - Sortie d'air chaud, cette sortie se faisant par de nombreuses ouvertures hautes réparties sur la longueur de la pompe. 27 - Entrée dtair froid au haut à l'extrémité d'entrée de la pompe. 28 - Sortie air froid au bas à une extrémité "de sortie" de la pompe. 29 - Tuyau d'évacuation des condensats apparaissant dans le deuxième air en raison de son refroidissement: dans la pompe à chaleur. REVENDICATIONS 1/ Pompe à chaleur thermoélectrique air-air comportant - une pile (P) s'étendant selon une direction "longitudinale (OX) en formant une succession de sections (S) semblables les unes aux autres constituées elles mêmes chacune d'une première (S1) et d'une deuxième (S2) demies-sections comportant chacune, selon qu'elle est une première ou une deuxième demie-section - une pastille thermoélectrique (1, 2) de l'un ou de l'autre type de conductivité, - un axe (3) d'échangeur thermique constitué d'un matériau bon conducteur thermique et électrique, - et des ailettes d'échange thermique (5) s'étendant transversalement à partir de l'axe d'échangeur pour permettre un transfert de chaleur entre cet axe et un flux d'air "chaud" ou "froid" circulant au contact de ces ailettes selon une direction "d'écoulement" (OZ) sensiblement perpendiculaire aux directions longitudinale (OX) et transversale (OY) et pour constituer ainsi avec cet axe un échangeur (3, 4, 5) "chaud" ou "froid" res pectivement, - la pile comportent un échangeur d'extrémité supplémentaire pour que chaque pastille thermoélectrique soit insérée longitudinalement en bon contact électrique et thermique entre un axe d'échangeur chaud et un axe d'échangeur froid, - la pompe comporte en outre un circuit d'alimentation électrique (20, 13) pour faire circuler un courant unidirectionnel en série à travers tous les axes d'échangeurs et pastilles thermoélectriques de chaque pile de manière que chacun de ces thermoélements pompent de la chaleur d'un axe d'échangeur froid vers un axe d'échangeur chaud, - la longueur des axes d'échangeur étant supérieure à 10 fois l'épaisseur mesurée longitudinalement des pastilles thermoélectriques (1, 2), la section de ces axes étant sensiblement la même que celle de ces pastillés, - cette pompe étant caractérisée par le fait que les ailettes d'échange thermique de chaque échangeur s'étendent selon la direction transversale (OY) des deux côtés de l'axe d'échangeur pour permettre un transfert de chaleur entre cet axe et un flux d'air passant des deux côtés de cet axe, - les demies-sections s'étendant sur des parties successives la longeur de la pile sans recouvrement;; - cette pompe comportant plusieurs piles s'étendant selon la même direction longitudinale et superposées selon la môme direction d'écoulement de manière à constituer un panneau dans lequel les échangeurs chauds sont superposés aux échangeurs chauds et les échangeurs froids aux échangeurs froids, et à permettre à chaque section d'une pile d'etre traversée par un flux d'air chaud et par un flux d'air froid traversant chacun en série toutes les piles du panneau. 2/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque échangeur (3, 4, 5) comporte en outre un capot (4, 4b) s' étendant transversalement dans les deux sens à partir des deux extrémités de l'axe d'échangeur (3) et se refermant longitudinalement au delà de l'extrémité des ailettes (5) de manière à délimiter un canal pour le flux d'air, ces ailettes et ce capot s' étendant entre deux plans perpendiculaires à la direction d'écoulement, de manière à faciliter la superposition des piles tout en obtenant une grande surface d'échange thermique. 3/ Pompe selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le capot est constitué de deux demis capots (4, 4b) de part et d'autre d'un plan coupant l'axe d'échangeur (3) et perpendiculaire à la direction longitudinale, chacun de ces demicapots étant percé d'un trou central pour le passage d'une extrémité de l'axe d'échangeur. 4/ Pompe selon la revendication 3, caractérisée par le fait que chaque demi-capot (4), comporte une aile latérale (4e) de chaque côté de l'axe d'échangeur (3), - la pile (P) comportant au moins deux tirants longitudinaux (6) passant à travers des trous percés dans les ailes de tous les demi-capots des échangeurs de la pile, - la pile comportant en outre à chacune de ses extrémités une plaque de transmission d'efforts (7) maintenue par ces tirants et appuyant longitudinalement sur les demi-capots extrêmes de la pile pour mettre celle-ci en compression, - la succession des axes d'échangeur et de pastilles thermoélectriques (1, 2) étant mise en compression longitudinale par l'intermédiaire de ces deux demis capots extrêmes qui s'appuient sur les extrémités extrêmes des deux axes d'échangeurs extrêmes, - au moins un organe élastique compressible longitudinalement (8) étant disposé entre ces deux plaques de transmission d'efforts pour maintenir la compression malgré des dilatations thermiques différentielles. 5/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte une enveloppe (23) percée d'une entrée haute (27) et d'une sortie basse (28) d'air froid reliées à des collecteurs (16, 18) longitudinaux, d'une entrée d'air chaud basse (25) reliée à un collecteur longitudinal (16), et de plusieurs sorties d'air chaud hautes (26) en nombre égal à celui des échangeurs chauds, deux ventilateurs (21, 22) assurant la circulation des airs chaud et froid, de maniere à permettre à la fois des échanges thermiques efficaces, des raccordements faciles et une bonne diffusion de l'air chaud échauffé par la pompe. 6/ Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte un organe de commande (20a) propre à réaliser une commutation dans le circuit d'alimentation électrique (20, 13) pour inverser le sens du courant électrique dans les pastilles semi-conductrices (1, 2), de manière à permettre à la pompe d'être utilisée pour le chauffage en hiver et pour le refroidissement en été sans modification des circuits d'air.