Brevet FR2598493A1 — publié le 19871113

L'invention a pour objet un procédé de climatisation chauffage utilisant l'effet Peltier et son dispositif de mise en oeuvre. Lorsqu'un conducteur métallique est formé de deux parties homogènes de nature différente (ex : fer-cuivre, bismuth-cuivre) il existe entre elles une différence potentielle de contact. Si les soudures sont à la même température, aucun courant ne passera, mais si les soudures sont à des températures différentes, on observera le passage d'un courant. Le phénomène est réversible ; autrement dit si l'on fait passer un courant d'intensité "I" dans ce conducteur, il se produit un dégagement de chaleur si le courant passe du conducteur au potentiel le plus élevé vers celui dont le potentiel est le plus bas, et une absorption de chaleur (ou production de froid) quand le courant passera du potentiel le plus bas vers celui dont le potentiel sera le plus élevé. La puissance calorifique étant toujours "P = U.I". Pour obtenir un effet calorimétrique exploitable, il est utile d'utiliser des semi-conducteurs, afin de rendre négligeables les pertes par effet Joule. L'effet Peltier était longtemps considéré comme une curiosité de laboratoire inutilisable en réfrigération. Les (bons) conducteurs métalliques utilisés alors (fer, cuivre, par exemple), provoquaient des pertes considérables par effet Joule (échauffement d'un conducteur traversé par un courant). Mais l'utilisation des semi-conducteurs rendait possible l'exploitation des effets "thermfrigorifique", produits par l'effet Peltier. Le premier réfrigérateur a été fabriqué aux Etats-Unis en 1913. Or, depuis, malgré une multitude d'améliorations techniques, aucun bouleversement fondamental n'a été enregistré quant à la technique de produire le froid. On s'est évertué à perfectionner, sans jamais transformer, la conception générale. Lorsque l'utilisation des semi-conducteurs se généralisa, les climatiseurs traditionnels semblèrent si bien installés technologiquement que, jusqu a ce jour, nul n'a songé à les détrôner. ETAT DE LA TECHNIQUE DANS LE SECTEUR CONSIDERE Jusqu'à ce jour, l'installation d'un climatiseur nécessitait une structure lourde et un investissement conséquent. En effet, on utilisait essentiellement les frigories produites par l'évaporation d'un fluide à bas point d'ébullition ("Fréon"), que l'on condensait ensuite par compression comme dans le cas d'un réfrigérateur classique. Les systèmes de climatisation automobile constituaient des ensembles complexes qui demandaient à être prévus en même temps que l'habitacle, car il fallait que la disposition des organes sous le capot tiennent compte de leur présence. En outre, la multiplicité des éléments assurant la fonction - système d'entrainement moteur compresseur - condensateur - évaporateur - turbine centrifuge - et, surtout le délicat circuit "Fréon" rendaient peu fiable ce type d'installation. Le but de l'invention Le climatiseur à effet Peltier est d'une rare simplicité, car il transforme directement l'énergie électrique en froid et chaud (la source non désirée étant évacuée), de sorte que l'on dispose à la fois d'un climatiseur et d'un chauffage. Il peut être ultra-compact et esthétique. Sa fiabilité est grande, tous les organes sont statiques, hormis un moteur électrique actionnant les turbines. Le procédé selon l'invention s'applique notamment aux véhicules automobiles. Le procédé selon l'invention consiste à utiliser, selon l'effet Peltier, l'énergie électrique pour transformer directement l'énergie électrique en froid et chaud, la source non désirée étant évacuée vers l'extérieur, la source désirée étant véhiculée dans l'habitacle. Le procédé utilise - un courant liquide ou fluide venant de l'extérieur ou de l'intérieur de l'habitacle qui traverse un ensemble de soudures, reliant les semi-conducteurs, récupère les calories non désirées et les évacue vers l'extérieur, tandis qu'un flux d'air venant de l'habitacle vient récupérer les calories désirées au contact avec les soudures opposées et est ensuite injecté dans ledit habitacle, - un moyen agissant comme un moteur actionne les turbines qui véhiculent les flux de gaz ou de fluide. Selon un mode de réalisation le procédé utilise un courant d'air venant de l'extérieur qui traverse un ensemble de soudures, reliant les semi-conducteurs, récupère les calories non désirées et les évacue à l'extérieur, tandis que le flux d'air venant de l'habitacle récupère les calories désirées au contact des soudures opposées et est ensuite injecté dans l'habitacle. Procédé selon un courant d'air venant de l'extérieur, traversant un ensemble de soudure, reliant les tellurures de bismuth P et N, récupère la chaleur et l'évacue à l'extérieur, tandis que le flux d'air venant de l'habitacle se refroidit au contact des soudures opposées, et est ensuite injecté dans l'habitacle. Le procédé utilise des éléments diffusants au niveau de chaque série de soudures dont la forme est conçue pour transférer les calories ou les frigories au flux d'air les traversant. Selon un autre mode de réalisation le procédé peut agir comme un humidificateur, à cet effet la zone réservée à la diffusion de l'air climatisé comporte à ce niveau un corps poreux alimenté par de l'eau qui s'élève dans ledit corps par capillarité et qui est Issue d'un réservoir prévu à cet effet. Selon un autre mode de réalisaticn, le procédé peut fonctionner en circuit fermé, le flux d'air destiné à évacuer les calories ou les frigories non désirées, est remplacé par un flux liquide en circuit fermé animé par une pompe à eau, les calories ou frigories sont évacués par l'intermédiaire d'un moyen faisant office de radiateur. L'invention a également pour objet les différents dispositifs pour ia mise en oeuvre des procédés ci-énoncés. Les dessins ci-joints donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs permettront de comprendre aisément l'invention. Ils représentent un mode de réalisation preféré selon l'invention. La figure 1 est un schéma de principe. La figure 2 est un exemple type d'implantation sous le véhicule. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale. La figure 4 est une vue en coupe transversale. La figure 5 est une vue en coupe schemiatíque selon un la horizontal, au niveau de la zone supérieure contenant les --adiateurs. La figure 6 est une vue de détala de l'implantation des des radiateurs diffusants. La figure 7 est une vue en perspective éclatée. La figure 8 est une vue selon la variante l (arrivée et sortie de l'air sur le toit). La figure 9 est une vue selon la variante onction humidification). Un courant d'air venant de l'extérieur 5, traversant uNí ensemble de soudure 6, reliant les tellurures de b-smuth 7 ,- et N, récupère la chaleur et l'évacue à l'extérieur 8, tandis que le flux 'air 9 venant de l'habitacle se refroidit au contact des soudures opposées 6, et est ensuite injecté dans l'habitacle 12. Les deux flux d'air 5 et 9 sont animés par deux turbines 3a et 3 b entrainées par un moteur électrique 2 à l'aide d'un système courroie 4, poulies 36, 37, 38. En inversant la polarité, l'appareil devient chauffage , en effet, dans ce cas, les soudures 6 qui étaient refroidies se chauffent et vice versa (voir figure 1). Bien entendu, les soudures 6 seront reliées à un ensemble d'éléments diffusants 11 (figure 6), dont la forme sera conçue pour transférer les calories ou frigories au flux d'air les traversant. Aménagements : Si le climatiseur chauffage à effet Peltier peut être installé dans la plupart des véhicules existants, dès lors que l'habitacle présente un minimum d'isolation thermique, l'appareil donnera pleinement satisfaction dans les véhicules à venir, préconçus pour le recevoir. Aménagements à apporter aux futurs véhicules pour améliorer sensiblement le rendement de l'appareil - soigner l'isolation thermique de l'habitacle 12, tout particulièrement au niveau des surfaces vitrées (verre teinté isotherme) - augmenter la puissance électrique disponible en créant une nouvelle génération d'alternateurs autorisant une dépense énergétique confortable - créer dans les véhicules, lors de la conception, des conduites spécifiques 13 pour l'admission et l'évacuation de l'air contenant les calories ou frigories non désirées. - dans un avenir plus lointain, il pourra être envisagé de transformer la source électrique douze volts en source vingt quatre volts ce qui aura pour effet de diviser par deux, les intensités électriques I traversant les conducteurs à puissance égale. Domaine d'application Essentiellement, l'automobile et, par extension, tout habitacle mobile ou non où l'on souhaite disposer d'un climatiseur chauffage, compact et de faible coût : véhicule de tourisme et utilitaire, camions, caravanes, camping-cars, trains, bateaux, avions, etc. Chaque fois que disposant d'une source de courant, l'on souhaitera abaissèr ou élever la température d'une enceinte - soit à des fins de confort, - soit à des fins de régulation thermique, industrielle ou technique. CONCEPTION Généralités - L'appareil 1 sera constitué d'un boîtier en matière plastique se présentant globalement comme un parallélépipède rectangle (figure 2), aplati, dont l'épaisseur réduite ne procurera aucune gêne aux passagers du véhicule. L'appareil 1 sera installé sous le toit du véhicule 14, généralement à la hauteur des montants latéraux 15 inter-portières avant-arrière. Dans un premier temps, l'arrivée d'air extérieure 5 ainsi que son évacuation, seront réalisées par un conduit de section rectangulaire aplati 13, dont le parcours suivra généralement le montant latéral interportière 15. La trajectoire de ces conduits sera judicieusement choisie, en fonction de la géographie et de la topologie des véhicules. Dans un deuxième temps, avec la généralisation de l'utilisation de cet appareil 1, il est vraisemblable que les constructeurs automobiles sauront adapter la conception de leur modèle à venir à cette innovation, en créant un conduit 13 "ad hoc" à l'intérieur des montants latéraux des véhicules 15. CONCEPTION TECHNIQUE Dans la description qui va suivre, on supposera que l'appareil 1 fonctionne en mode climatisation. Le boitier 1 sera constitué de quatre parties - une zone inférieure 17 destinée à recevoir les soudures "froides", - une zone intermédiaire isolante 18 et contenant également les plaquettes de tellurures de bismuth 7 (ou un autre matériau semiconducteur pouvant être utilisé pour notre appareil) ainsi que l'alimentation électrique~19 des dites plaquettes, - une zone supérieure 20 destinée à recevoir les soudures "chaudes". - une zone de diffusion de l'air traité 21. La distribution d'air climatisé pourra être modulée par quatre ouvertures 22 (deux pour les places avant - deux pour les places arrière) réglables à l'aide d'une tirette coulissante 23, (ou réglables en ouverture et direction à la façon d'un store"). A l'extérieur du boîtier, côte passager, se trouveront deux turbines 3a et 3b entrainées par un moteur électrique 2 situé également sur la zone centrale. L'emtrainement moteur turbine pourra se faire à l'aide d'une courroie 4, poulies 36, 37, 38, entrainement silencieux. La turbine supérieure 3a anime le flux d'air secondaire venant de l'extérieur 5, et refoulé à l'extérieur 8, grâce au conduit de section rectangulaire 13, précédemment cité. Le moteur électrique 2 sera régulé électroniquement en fonction 10) de la capacité électrique du véhicule (puissance de l'alternateur) 20) de la quantité de froid ou de chaud désiré par l'utilisateur. En outre, il est facilement concevable d'y adapter un thermostat assurant cette régulation. Le boîtier 1 comportera les éléments suivants 10) quatre tirettes de régulation du flux d'air 23 20) un bouton mentionnant "CHAUD - ARRET-FROID" 24 (inversion de polarité) 30) un bouton 25 modulant la vitesse de rotation du moteur électrique 2, en fonction de quoi, on obtiendra plus ou moins de froid ou de chaud, et par conséquent influençant directement la consommation de courant électrique. 40) un ampèremètre 16 miniature monté en série au circuit 19, et indiquant la consommation électrique. Il est évident que chaque type de véhicule admettra une consommation maximum qu'il sera prudent de ne pas dépasser. Une valeur de deux cents à six cents watts semble raisonnable pour assurer un niveau de confort chaud-froid satisfaisant sans pour autant entraîneur quelque dommage dans la bonne marche du véhicule. Il sera utile que la distribution électrique de l'appareil 1 se fasse å l'aire du conducteur de diamètre conséquent puisqu'une puissance de six cent watts selon la formule P = U.I. donc I = P. 600 = 50 Ampères U 12 VARIANTE 1 Dans le cas de véhicules où l'élément esthétique est secondaire, tels que camions, 4/4, utilitaires..., (figure 8), on pourra installer l'admission évacuation de l'air recevant les calories non désirées, grâce à un système installé directement sur le toit 26. L'entrée admission de l'air 27, se présentant dans le sens de la marche du véhicule, la sortie évacuation de l'air se fait du côté opposé 28 (vers l'arrière). Le dispositif se présentera sous la forme d'un boîtier fonctionnel 26. (voir figure 8). VARIANTE 2 On pourra ajouter au climatiseur chauffage à effet Peltier, une fonction humidification. (voir figure 9). Pour ce faire, on ajoutera au bottier 1 une enceinte inférieure 29 destinée à recevoir de l'eau 30, qui s'élèvera par capilarité dans un corps poreux 31 et humidifiera la zone inférieure 17 réservée à la diffusion de l'air climatisé. Il est à noter que l'évaporation contribuera aussi à absorber quelques calories supplémentaires, ce qui accentuera quelque peu la production de froid. I1 est également concevable de prévoir un réservoir d'eau externe au boitier 1. Le liquide serait alors acheminé par un conduit à l'aide d'une pompe. Cela permettrait de ne pas augmenter l'épaisseur de l'appareil 1. VARIANTE 3 Dans le cas d'utilisation d'un cl imatiseur-chauffage de ce type, dans des conditions extrêmes de chaud ou froid, il pourra être judicieux de transformer le flux d'air 5 destiné à évacuer les calories ou frigories non désirées, par un flux liquide en circuit fermé animé par une pompe à eau. Les calories seront évacuées par l'intermédiaire d'un radiateur à ailettes, situé par exemple sous le véhicule. Le pouvoir caloriporteur d'un liquide (eau, glycol...) étant très supérieur à celui de 1 'air, le système pourra présenter une efficacité accrue. De surcroit, les conduits climatiseur-roiateur, seront de section réduite et par conséquent inesthétiques. VARIANTE 4 Pour les véhicules "haut de gamme", et afin de ne point incommoder les passagers par le bruit des turbines, et/ou par la présence du boîtier climatiseur-chauffage 1, sous le toit du véhicule, il sera opportun d'envisager une variante s'installant dans le coffre du véhicule. L'arrivée d'air climatisé sera choisie judicieusement en plusieurs points "clés". L'air climatisé sera distribué à l'aide de conduits adaptés et discrets. Néanmoins, pour assurer à ce produit la diffusion qu 'il mérite, il semble utile que l'appareil occupa dans la majorité des cas, une place qui le rende visible quoique discret. Ce faisant, on aura toutes les chances de créer chez le consommateur, le besoin de posséder cet élément de confort qui sera très indispensable. En tout état de cause, quelle que soit la version choisie de ce climatiseur-chauffage à effet Peltier 1, le coût de revient de cet appareil, tout comme son installation - destiné à une très grande diffusion - sera très inférieur à celui équipant les véhicules à l'heure actuelle. Le véhicule climatisé ne sera plus un luxe mais une nécessité de notre temps. NOTA Compte tenu que la plupart des véhicules sont pourvus d'un chauffage, il est possible de concevoir un appareil monovalent n'utilisant que la fonction climatisation. LEGENDE GENERALE concernant les références aux dessins - 1 Climatiseur-chauffage à effet Peltier - 2 Moteur électrique - 3a Turbine supérieure, 3b turbine inférieure - 4 Courroie - 5 Courant d'air venant de l'extérieur - 6 Ensemble de soudures - 7 Tellurures de bismuth - 8 Chaleur évacuée - 9 Flux d'air venant de l'habitacle - 10 Flux d'air refroidi - 11 Eléments diffusants - 12 Habitacle - 13 Conduites spécifiques - 14 Toit - 15 Montants latéraux - 16 Ampèremètre - 17 Zone inférieure (froide) - 18 Zone intermédiaire - 19 Alimentation électrique - 20 Zone supérieure -t21 Zone de diffusion - 22 Ouvertures diffusant l'air climatisé - 23 Réglage ouverture - 24 Chaud - Arrêt - Froid - 25 Régulation vitesse moteur - 26 Système pour véhicules type 4/4 - 27 Arrivé d'air système 4/4 - 28 Evacuation de l'air système 4!4 - 29 Enceinte inférieure - 30 Eau - 31 Corps poreux - 32 Accès à la courroie - 33 Zone libre pouvant recevoir un système d'éclairage et/ou tout autre élément fonctionnel (allume-cigarette, passagers-arrière)ett. - 34 Diffuseur d'air climatisé orientable à lamelles de type store. ou autre - 35 Arrivé d'air habitacle - 36 Poulie moteur - 37 Poulie de la turbine supérieure - 38 Poulie de la turbine inférieure - 39 Axe de la turbine supérieure - 40 Fente destinée à l'aération du moteur REVENDICATIONS 1. Dispositif de climatisation utilisant l'effet Peltier caractérisé par le fait que le dispositif est de manière privilégiée situé sous le toit d'un véhicule et sans aucune détérioration visible de l'extérieur, et sans modification de l'esthétique et de l'aérodynamisme du véhicule. 2. Dispositif de climatisation chauffage selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le dispositif est constitué de plusieurs étages superposés l'étage supérieur (20) étant destiné à recevoir les soudures chaudes non désirées et à leur évacuation à l'extérieur du véhicule - la zone isolante (18) intégrant les semi-conducteurs reliant les soudures "chaudes" et "froides", - la zone (17) de récupération des calories ou frigories désirées, - la zone de diffusion (21), - et éventuellement, une zone inférieure (29) permettant une vaporisation de l'eau dans l'air. 3. Dispositif de climatisation chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que la circulation des deux flux (9) et (10) est dûe à l'action de deux turbines (3) et (3bis) entraînées par un système moteur unique (2) situé également sur la zone centrale. 4. Dispositif de climatisation chauffage selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait - qu'il peut agir comme un humidificateur, à cet effet la zone réservée à la diffusion de l'air climatisé comporte à ce niveau un corps poreux (31) alimenté par de l'eau qui s'élève dans ledit corps (31) par capillarité et qui est issue d'un réservoir (30) prévu à cet effet. 5. Dispositif de climatisation chauffage selon l'une quelconque la revendication 1 caractérisé par le fait - qu'il peut fonctionner en circuit fermé, le flux d'air (5) destiné à évacuer les calories ou les frigories non désirées, est remplacé par un flux liquide en circuit fermé animé par une pompe à eau, les calories ou frigories sont évacuées par l'intermédiaire d'un moyen faisant office de radiateur. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait - qu'il est composé d'un boîtier (1) parallélépipèdique qui contient dans une zone de calories à évacuer un ensemble de soudure (6), reliant les semi-conducteurs (7) et dans une autre zone de calories à récupérer les soudures opposées, chaque soudure étant reliée à des éléments diffusants (11), des moyens faisant office de turbines animées par un moteur (2) entraînent un flux d'air venant de l'extérieur (5) ou d'un circuit fermé (dans le cas d'un fluide) et un autre flux d'air (9) venant de l'habitacle récupère les calories ou les frigories désirées pour les réinjecter dans l'habitacle (12). 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que la distribution d'air climatisé peut être modulée par quatre ouvertures (22) (deux pour les places avant - deux pour les places arrière) réglables à l'aide d'une tirette coulissante t23, ;ou réglables en ouverture et direction à la façon d'un store"). 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé par le fait que l'entrainement moteur turbine peut se faire à l'aide d'-dle courroie (4), poulies (36, 37, 38), entrainement silencieux. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par la fait que l'appareil (1) est installé sous le toit du véhicule (14), généralement à la hauteur des montants latéraux (15) inter-portières avant-arrière ; dans un premier temps, l'arrivée d'air extérieure (5) ainsi que son évacuation, sont réalisées par un conduit de section rectangulaire aplati (13)-, dont le parcours suit généralement le montant latéral inter-portière (15)