Brevet FR2542855A1 — publié le 19840921

L'invention est relative, d'une façon générale, aux instal- lations thermoélectriques comportant des thermoéléments (ou éléments thermoélectriques) montés entre des parois d'échange thermique appar- tenant à des échangeurs chauds parcourus par un fluide chaud et à des échangeurs froids parcourus par un fluide froid. De telles installations peuvent être utilisées pour engendrer un courant électrique continu lorsque les parois d'échange thermique sont maintenues à des températures différentes par le fluide chaud et le fluide froid, ou, au contraire, pour maintenir les parois d'échange thermique à des températures différentes en vue de chauffer ou de refroidir un fluide par rapport à l'autre lorsqu'on fait circuler un courant électrique dans les thermoéléments Le courant électrique est généralement amené aux thermoéléments par les échangeurs, toutefois, dans le cas d'utilisation de modules thermoélectriques, le courant électrique est amené directement aux modules. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusi- vement, à ces derniers types d'installation, les thermoéléments étant alimentés en courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre les parois d'échange thermique Une telle instal- lation, appelée "pompe à chaleur", peut être utilisée à des fins de climatisation en réchauffant ou en refroidissant un fluide à partir d'un autre fluide En effet, les thermoéléments sont de deux types, à savoir: les thermoéléments de type P qui transfèrent des calories dans le sens du courant électrique, et les thermoéléments de type N, qui transfèrent des calories dans le sens inverse du courant Ainsi, en plaçant un thermoélément de type N et un thermoélément de type P de part et d'autre d'un échangeur thermique, les flux thermiques de même nature (chaleur ou froid) créés par ces thermoéléments convergent vers l'échangeur ou divergent selon le sens du courant. Il a déjà été proposé que des installations thermoélectriques soient formées d'empilements d'échangeurs chauds et froids alternant avec des thermoéléments, le ou les échangeurs de part et d'autre desquels se trouvent les thermoéléments étant ou non isolés électri- quement, ces empilements ou colonnes étant disposés côte à côte de manière à constituer un ensemble compact dans lequel les thermo- éléments se trouvent dans des plans parallèles ou nappes et les échan- geurs en regard les uns des autres formant des nappes d'échangeurs chauds ou froids afin de constituer des conduits de circulation des fluides à refroidir ou à réchauffer Les éléments constitutifs de chaque colonne ne sont reliés entre eux que-par compression des thermoéléments et des échangeurs d'une même colonne à l'aide de moyens assurant le serrage de plusieurs colonnes à la fois et destinés à assurer de bonnes liaisons électriques entre ces différents éléments tout en facilitant leur montage De plus, les liaisons électriques entre les colonnes sont réalisées à leurs extrémités. Dans les installations connues actuellement, les thermoélèments et les échangeurs d'une même colonne sont empilés selon un même axe et sont serrés selon cet axe Toutefois, en rais 7 on des dilatations dues aux flux thermiques, en raison des inégalités d'épaisseur dues aux précisions d'usinage des différents constituants empilés, et afin d'obtenir un alignement des échangeurs d'un même plan de plusieurs colonnes et un bon contact entre les thermoéléments et les échangeurs, lors du serrage, il est nécessaire de créer des efforts de serrage élevés qui ne sont pas acceptables par les thermoéléments dont les caractéristiques mécaniques, en particulier la résistance au cisail- lement, sont relativement faibles. Pour réduire les contraintes sur les thermoéléments créées lors du serrage afin d'obtenir un bon contact entre thermoéléments et échangeurs et un bon alignement entre les échangeurs d'une même nappe, il est connu d'utiliser divers moyens En particulier, des échangeurs à déformations peuvent être utilisés, toutefois, ces échangeurs sont difficiles à réaliser donc coûteux et ont des caractéristiques de conductions thermique et électrique faibles du fait que certaines parties de ces échangeurs doivent être amincies pour permettre d'obte- nir la déformation de ces échangeurs lors du serrage des colonnes. Dans certaines installations connues, il est possible, sans augmenter les contraintes sur les thermoèléments, que les échangeurs d'une même nappe ne soient pas parfaitement alignés, la liaison entre échangeurs devant alors être souple Cette liaison souple peut être réalisée par des raccords souples et ces raccords sont coûteux, délicats à monter et sources de fuites pour le fluide qu'ils transportent. Un autre moyen de réaliser une liaison souple entre les échan- geurs est que le fluide à refroidir ou à réchauffer circule-dans un ou plusieurs tubes ou conduits traversant les échangeurs d'une même nappe Toutefois, pour que la liaison soit souple entre ces échan- geurs, il faut que ces tubes soient eux-mêmes souples Dans ce cas, la pression de contact entre ce tube et les échangeurs, pression donnée par le fluide transporté, doit être élevée pour obtenir une résistance thermique de contact la plus faible possible entre les échangeurs et le tube, ce qui rend complexes, les jonctions entre tubes d'une même nappe et/ou de plusieurs nappes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients tout en permettant une liaison rigide entre les échangeurs d'une même nappe Elle a pour objet une installation thermoélectrique comportant des thermoéléments montés entre des échangeurs de chaleur, munis d'un conduit de circulation d'un fluide chaud ou d'un fluide froid et alternant avec les thermoéléments pour former des empilements ou colonnes disposés côte à côte de manière à réaliser un ensemble ou tiroir dans lequel les thermoéléments se trouvent dans des plans parallèles et les échangeurs en regard les uns des autres, sous forme de nappes délimitant deux conduits de circulation des fluides, l'un pour le fluide chaud, l'autre pour le fluide froid, les éléments constitutifs de chaque colonne étant maintenus ensemble par des moyens de serrage. Cette installation est notamment remarquable par le fait que, les conduits de circulation des fluides chaud ou froid des échangeurs étant situés en dehors de l'axe de serrage des empilements, les échan- geurs adjacents d'une même nappe peuvent tourner l'un par rapport à l'autre autour de l'axe de leur conduit de circulation, les thermo- éléments et les échangeurs étant en contact selon l'axe de serrage des empilements, leurs contacts sur au moins une de leurs faces ayant un profil permettant une rotation par rapport à l'axe des conduits de circulation. Ainsi, lors du serrage des éléments constitutifs de plusieurs colonnes situées côte à côte, il se produira une rotation des échan- geurs autour de l'axe du conduit qu'ils forment jusqu'à ce que les éléments constitutifs de chaque colonne soient bien en appui les uns sur les autres, les conduits formés par tous les échangeurs d'une même nappe créant ainsi un conduit unique continu de circulation des fluides. 4 r Le profil des contacts entre échangeurs et thermoéléments peut être un profil cylindrique d'axe parallèle à l'axe des conduits de circulation et passant par l'axe de serrage de l'empilement. De même, le profil de contacts entre échangeurs et thermo- éléments peut être un profil sphérique dont le centre est situé sur l'axe de serrage des empilements. Grâce aux contacts cylindriques ou sphériques entre chaque échangeur et thermoélément, cette rotation est réalisée sans créer d'efforts de cisaillement dans les thermoéléments. Une installation selon l'invention peut comporter des échangeurs de chaleur formés chacun d'une âme située, en contact, entre les thermoéléments et percée d'un conduit décalé par rapport à l'axe de serrage des empilements et de même axe que le conduit d'un échangeur de la colonne voisine, conduits dans lesquels est serti un tube rigide isolant électrique ou isolé électriquement des échangeurs, les échangeurs pouvant tourner par rapport au tube. Ainsi, tout déplacement de l'échangeur sous l'effet de l'effort de serrage se traduit par une rotation autour du tube rigide,-le contact sphérique entre échangeurs et thermoéléments permettant cette rotation sans créer de force de cisaillement destructrice des thermo- éléments. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig 1 est une vue schématique en élévation d'une installation thermoélectrique selon l'invention; la Fig 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne 2-2 de la Fig 1 d'une installation thermoélectrique selon l'invention; la Fig 3 est une vue schématique partielle éclatée en perspective et à plus grande échelle que les Fig 1 et 2 d'une installation thermoélectrique selon l'invention; la Fig 4 est une vue schématique partielle du même type que la Fig 3 d'une variante d'installation thermoélectrique selon l'invention; la Fig 5 est une vue schématique partielle en coupe d'une autre variante d'installation thermoélectrique selon l'invention, la Fig 6 est une vue schématique partielle en coupe d'une autre variante d'installation thermoélectrique selon l'invention. Suivant l'exemple d'exécution représenté aux Fig 1 à 3, une installation thermoélectrique du type "pompe à chaleur" selon la présente invention comporte des thermoéléments ou éléments thermo- électriques 1 alimentés en courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre des échangeurs thermiques 2 et 3 situés de part et d'autre de chaque thermoélément 1. Ces échangeurs thermiques 2 et 3 sont des échangeurs chauds lorsqu'ils sont parcourus par un fluide chaud ou à réchauffer et des échangeurs froids lorsqu'ils sont parcourus par un fluide froid ou à refroidir Les sens de circulation de ces fluides chaud et froid étant repérés sur la Fig 1 par des flèches respectivement C et F. Les échangeurs thermiques 2 et 3 sont empilés alternativement avec les thermoéléments 1 pour former des colonnes 4 Ces colonnes disposées côté à côte et assemblées entre elles constituent un ensemble ou tiroir thermoélectrique o les thermoéléments se trouvent dans des plans parallèles et les échangeurs en regard les uns des autres en forme de nappes Les échangeurs et thermoéléments sont assemblés entre eux par des tirants 5 d'axe TT parallèle aux colonnes 4, chaque tirant 5 assurant le serrage, dans l'exemple représenté non limitatif, de deux colonnes adjacentes. Les thermoéléments 1 n'étant pas isolés électriquement des échangeurs 2 et 3, dans chaque colonne, la liaison électrique des thermoéléments d'une même colonne, entre eux, se fait au travers des échangeurs suivant un parcours rectiligne; le passage du courant électrique entre deux colonnes adjacentes est réalisé soit par des échangeurs doubles 2 a, obtenus par solidarisation de deux échangeurs voisins, soit par des conducteurs 6, souples ou non, fixés sur les deux échangeurs 2 d'extrémité des colonnes adjacentes Le courant électrique est amené à l'ensemble de l'installation par les conduc- teurs d'entrée et de sortie 7 fixés à deux échangeurs 2. Selon l'invention, chaque thermoélément 1 a la forme d'une pastille cylindrique pourvue d'une face plane et d'une face à profil sphérique Chaque échangeur 2 et 3 est formé d'une âme 8 sensiblement parallélépipédique dont l'une des faces 8 a est pourvue d'une cuvette 9, à profil sphérique conjuguée de la face à profil sphérique d'un thermoélément 1 avec laquelle elle doit venir en contact Chaque échangeur est percé d'un conduit 10 à section circulaire d'axe XX parallèle à la face 8 a de l'âme 8, et décalé d'une distance D de la normale YY à cette face 8 a, au centre de la cuvette 9. A l'intérieur des conduits 10 d'une même nappe, et donc de même axe XX, est serti un tube 11, rigide, si possible bon conducteur de la chaleur Ce sertissage est tel que, sous l'effet d'un certain effort, l'âme 8 peut tourner autour du tube 11 Dans le cas QO le tube rigide 11 est un matériau conducteur de l'électricité, tel que du cuivre ou autre métal, il est interposé, avant sertissage, entre le tube Il et le conduit 10, un matériau isolant électrique tel qu'un film de polyester 20, ce film facilite la rotation de l'âme 8 autour du tube 11 Les tubes Il d'une même nappe d'échangeurs 2 ou 3 sont reliés entre eux aux extrémités par des coudes 12 de manière à former un cir- cuit continu d'écoulement des fluides Dans l'exemple représenté, à quatre nappes de thermoéléments 1 et, par conséquent, à cinq nappes d'échangeurs 2 et 3, les tubes 11 des nappes d'échangeurs 2 sont reliés entre eux par des coudes 13 pour former un circuit unique de circulation d'un des fluides, tel que le fluide chaud, circulant selon les flèches C De même, les tubes 11 des-nappes d'échangeurs 3 sont reliés entre eux par des coudes 14 pour former un circuit unique de circulation de l'autre fluide, tels que le fluide froid, circulant selon les flèches F Par la présence des coudes 14 et 13, les tubes 11 sont liés rigidement les uns aux autres. Le montage de l'installation thermoélectrique se fait de la manière suivante Chaque nappe d'échangeurs étant formée avec les tubes 11 et les coudes 12 de liaison des tubes d'une même nappe, on empile ces nappes les unes au-dessus des autres en interposant dans les cuvettes 9 des échangeurs les thermoéléments sur lesquels vient s'appliquer la nappe d'échangeurs immédiatement supérieure Lorsque l'empilement de l'en- semble des nappes d'échangeurs et de thermoéléments, quatre thermo- éléments et cinq échangeurs par colonne dans l'exemple représenté, est réalisé, chaque tirant 5, solidaire d'une plaque d'appui 15 et de plots cylindriques 16 isolants électriques, est introduit, en traversant les nappes d'échangeurs entre deux échangeurs adjacents d'une même nappe et portés par le même tube, la plaque d'appui 15 venant s'appliquer par les plots cylindriques 16 sous les échangeurs de la nappe inférieure selon l'axe YY d'empilement des colonnes à serrer Une plaque de serrage 17 traversée par le tirant 5 vient s'ap- pliquer par'des plots cylindriques 18 isolants électriques sur les échangeurs des colonnes correspondantes de la nappe supérieure, un écrou 19, vissé sur le tirant 5, venant assurer le serrage des diffé- rentes nappes entre elles Après serrage, les coudes 13 et 14 sont solidarisés aux tubes, par exemple par soudure, pour assurer la continuité de circulation des fluides chauds et froids Sous l'action du serrage du tirant 5, selon l'axe TT parallèle aux axes YY des colonnes, les âmes 8 des échangeurs et les thermo- éléments 1 correspondants d'une même colonne sont serrés entre eux En raison des différences dimensionnelles pouvant intervenir lors de la fabrication des différents éléments, les colonnes peuvent avoir des hauteurs différentes et les âmes des échangeurs d'une même nappe peuvent ne pas être situées parfaitement dans un même plan Comme les tubes ll et les coudes 12 reliant les échangeurs d'une même nappe sont rigides, et comme le serrage des colonnes par les tirants est réalisé selon les axes YY, décalés d'une distance D des axes XX correspondants des tubes 11, il se produit une rotation autour des axes XX des âmes 8 des échangeurs par rapport aux tubes l I qui permet:d'obtenir un serrage correct des colonnes malgré ces différences dimensionnelles. Ce serrage étant réalisé sans créer de déformation des tubes entre les échangeurs ni de destruction des thermoéléments situés entre ces échangeurs Les cuvettes 9 des âmes 8 des échangeurs et les faces sphériques d'appui des thermoéléments dans les cuvettes 9 permettent la rotation de l'âme 8 tout en assurant un bon contact des thermoéléments sur les échangeurs, sans destruction des thermoélêments par le cisaillement créé lors de la rotation de l'âme 8. Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de réaliser une installation thermoélectrique comportant des tubes de circulation des fluides chauds et froids sans risques de fuites entre échangeurs puisque comportant des tubes Il rigides et continus et ayant une bonne conduction électrique et thermique entre échangeurs et thermoéléments. Cette bonne conduction électrique et thermique est obtenue grâce au serrage important qui peut être réalisé entre les thermoéléments et les échangeurs par les tirants, et ce malgré les différences dimen- sionnelles créées, lors de ieur empilement Ces caractéristiques sont permises par l'utilisation de la rotation des échangeurs par rapport aux tubes 11 et par les contacts sphériques entre échangeurs et thermoéléments. Les échangeurs et les thermoéléments étant uniquement en contact par au moins une surface à profil sphérique sans liaison rigide entre eux, ce contact permet les dilatations thermiques différentielles entre les échangeurs d'une même nappe. La présence d'un film 20 isolant électrique entre les tubes 11 et les conduits 10 des âmes 8 des échangeurs 2 et 3, tout en assurant l'isolation électrique sans augmenter de manière sensible la rêsis- tance thermique entre les échangeurs 2 et 3 et les tubes 11, facilite, lorsque ce film est lisse, la rotation des âmes 8 par rapport aux tubes 11 donc le serrage des colonnes par les tirants 5. Suivant une variante de réalisation représentée à la Fig 4, les échangeurs 102-103 et les thermoéléments 101 peuvent être en contact par au moins une surface à profil cylindrique d'axe ZZ parallèle à l'axe XX des-conduits de circulation des échangeurs, l'axe ZZ de la surface passant par l'axe YY de serrage des thermoéléments Dans ce cas, les cuvettes 109 a des âmes 108 et les faces d'appui correspon- dantes des thermoéléments ont un profil cylindrique Ce profil cylindrique permet, comme pour le profil sphérique, la rotation des échangeurs entre eux et les dilatations thermiques différentielles. Suivant une variante de réalisation représentée à la Fig 5, l'installation thermoélectrique comporte des colonnes formées par empilement de thermoéléments 1 et d'échangeurs 2 et 3 formés d'une âme 8 pourvue d'un conduit 10 Ce conduit 10 comporte, d'un côté, un prolongement tubulaire 21 et, de l'autre côté, une chambre 22 circu- laire interne au conduit 10 formant emboîtement pour le prolongement tubulaire de l'échangeur adjacent, cette chambre éant munie d'une gorge annulaire 23 circonférentielle renfermant un joint d'étanchéité. Les échangeurs d'une même nappe sont alors emboîtés les uns dans les autres pour former un tube de circulation des fluides La liaison par emboîtement avec joint d'étanchéité 24 permet aux échangeurs, lors du serrage des tirants, d'effectuer une rotation les uns par rapport aux autres selon l'axe XX du conduit 10 tout en conservant la continuité des tubes de circulation des fluides. Pour assurer l'isolation électrique entre échangeurs de colonnes différentes, les prolongements tubulaires 21 peuvent être recouverts sur leur face externe et leur extrémité par un revêtement isolant tel qu'une peinture isolante ou par une coiffe en un film de matière iso- lante, en polyester par exemple Dans une telle réalisation, il est souhaitable que les fluides soivent mauvais conducteurs de l'élec- tricité ou que les conduits 10 présentent un revêtement intérieur isolant. Alors que dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, les thermoéléments ont la forme d'une pastille cylindrique ou parallélépipédique pourvue d'une face plane et d'une face sphérique ou cylindrique, ils peuvent avoir deux faces sphériques ou cylindriques ou être formés de deux faces planes sur lesquelles sont rapportées par soudure deux plaques, l'une au moins ayant une face sphérique ou cylindrique destinée à venir se placer dans les cuvettes 9 des échan- geurs 2 et 3 de forme correspondante - De plus, il est possible que ce soient les thermoéléments qui présentent les cuvettes sphériques ou cylindriques et que les échan- geurs présentent des bossages du profil correspondant à celui des thermoéléments. Il est également possible de remplacer chaque thermoélément par un module thermoélectrique, formé de plusieurs thermoêléments, sur lequel est rapportée au moins une plaque ayant une face à profil cylindrique ou sphérique L'alimentation électrique des modules thermoélectriques est réalisée à la manière connue, chaque module thermoélectrique étant isolé électriquement des échangeurs Dans ce cas, il n'est plus nécessaire d'assurer l'isolement électrique entre les échangeurs adjacents puisqu'ils ne sont plus sous tension, et, en particulier, entre les échangeurs et les tubes de circulation. L'utilisation de modules thermoélectriques dans la variante de réalisation ci-dessus représentée à la Fig 5 permet de supprimer le revêtement isolant des prolongements tubulaires 21 Les fluides peuvent être conducteurs de l'électricité puisque les échangeurs ne sont plus sous tension. En utilisant des modules thermoélectriques, une autre variante de réalisation, représentée à la Fig 6, consiste en ce que les échangeurs d'une même nappe formant un seul conduit sont en une seule pièce, des zones amincies 25 étant réalisées entre chaque échangeur de manière que ces zones amincies permettent la rotation des échangeurs entre eux par déformation de la matière ductile les constituant dans ces zones amincies. il REVENDICATIONS 1. Installation thermoélectrique comportant des thermoéléments ( 1, 101) montés entre des échangeurs de chaleur ( 2-3, 102-103), munis d'un conduit ( 10) de circulation d'un fluide chaud (C) ou d'un fluide froid (F) et alternant avec les thermoéléments pour former des empilements ou colonnes ( 4) disposés côte à côte de manière à réaliser un ensemble ou tiroir dans lequel les thermoéléments se trouvent dans des plans parallèles et les échan- geurs en regard les uns des autres sous forme de nappes, délimitant deux conduits de circulation des fluides, l'un pour le fluide chaud, l'autre pour le fluide froid, les éléments constitutifs de chaque colonne étant maintenus ensemble par des moyens de serrage ( 5), caractérisée en ce que, les conduits ( 10) de circulation des fluides chaud ou froid des échangeurs étant situés en dehors de l'axe (YY) de serrage des empilements, les échangeurs ( 2-3, 102-103) adjacents d'une même nappe peuvent tourner l'un par rapport à l'autre autour de l'axe (XX) de leur conduit ( 10) de circulation, les thermoéléments et les échangeurs étant en contact selon l'axe (YY) de serrage des empi- lements, leurs contacts sur au moins une de leurs faces ayant un profil permettant une rotation par rapport à l'axe des conduits de circulation. 2.-Installation thermoélectrique selon la revendication 1 carac- térisée en ce que le profil de contact entre échangeurs ( 102-103) et thermoéléments ( 101) est un profil cylindrique d'axe parallèle à l'axe des conduits de circulation et passant par l'axe de serrage de l'empi- lement. 3. Installation thermoélectrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le profil de contact entre échangeurs ( 2-3) et thermoéléments ( 1) est un profil sphérique dont le centre est situé sur l'axe (YY) de serrage de l'empilement. 4. Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte des échan- geurs de chaleur ( 2-3, 102-103) formés d'une âme ( 8, 108) située en contact entre les thermoéléments ( 1, 101) et percée d'un conduit ( 10), décalé par rapport à l'axe (YY) de serrage des empilements, et de même axe (XX) que le conduit d'un échangeur de la colonne voisine, dans ces conduits, étant serti un tube ( 11) rigide, isolant électrique ou isolé 25428-55 électriquement des échangeurs, les échangeurs pouvant tourner, par rapport au tube, autour de l'axe (XX) des conduits ( 10). 5. Installation thermoélectrique selon la revendication 4 caractériséeen ce qu'un film isolant électrique ( 20) est interposé entre le tube ( 11) rigide conducteur électrique et les conduits ( 10) des échangeurs. 6. Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comporte des échan- geurs ( 2-3, 102-103) de chaleur formés d'une âme ( 8, 108), située en contact entre les thermoéléments ( 1, 101) et-percée d'un conduit ( 10), décalé par rapport à l'axe (YY) de serrage des empilements, et de même axe (XX) que le conduit ( 10) d'un échangeur de la même nappe, les échangeurs étant emboîtés les uns dans les autres par leurs conduits. 7. Installation thermoélectrique-selon la revendication 6 caractérisée en ce que le conduit ( 10) de chaque échangeur porte, d'un côté, un prolongement tubulaire ( 21) du conduit et, de l'autre, une chambre ( 22) circulaire interne au conduit pour l'emboîtement du prolongement tubulaire ( 21) de l'échangeur voisin. 8. Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que les thermo- éléments ( 1, 101) ont la forme de pastilles à faces planes sur lesquelles sont rapportées des plaques dont l'une au moins a une face à profil permettant une rotation par rapport à l'axe des conduits de circulation. 9 Installation thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que les thermoéléments sont des modules thermoélectriques sur lesquels sont rapportées des plaques dont l'une au moins a une face à profil permettant une rotation par rapport à l'axe des conduits de circulation. 10 Installation thermoélectrique selon la revendication 9 lorsqu'elle dépend de l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les échangeurs d'une même nappe sont en une seule pièce, des zones amincies entre échangeurs permettant la rotation des échangeurs entre eux autour de l'axe des conduits de circulation.