Brevet FR2620573A1 — publié le 19890317

La présente invention est relative å une structure de panneau transducteur thermoélectrique assurant l'échange d'énergie thermique en électricité å des procédés de fabrication et à des utilisations de ce panneau. L'effet Seebeck est connu depuis plus d'un siècle: un courant électri- que apparait dans un circuit constitué de deux conducteurs (10) et (11) de compositions différentes et adéquates pour présenter un effet thermoelec- trique lorsque leurs jonctions å des températures différentes (voir planche 1/3 figure 1). Inversement, une différence de température apparait quand un courant parcourt le circuit (effet Peltier). Les tensions mises en Jeu dépendent des deux matériaux mis en contact, mais elles sont toujours très faibles. Par exemple, le couple cuivre/ constantan a une tension caractéristique de 40.10' Volts par degré de différence de temperature entre les deux jonctions. Pour se rapprocher des tensions couramment utilisées, il est nécessaire de connecter en série un très grand nombre de jonctions, plusieurs milliers voire plusieurs dizaines de milliers (voir figure 2). Le conducteur est alors forme d'une succession de conducteurs élementaires alternativement d'un matériau puis de l'autre, tels que leurs jonctions se trouvent alternativerent du cote de la source chaude et du coté de la source froide. Les méthodes habituellement employées pour effectuer cette Bise en série soit réalisent l'échange chaleurfelectricité sur de très faibles surfaces et ne peuvent alors transmettre des puissances importantes, soit font appel à des techniques de fabrication complexes et conteuses car difficiles automatiser. Afin de palier ces inconvénients, la présente invention permet de réaliser un panneau transducteur de grande surface tel que la chaleur et le froid s'échangent travers les deux grandes faces opposées de ce panneau, et ceci suivant une disposition sinople pernettant d'exécuter les lilliers de jonctions d'une tanière peu conteuse car complètement automatique. Dans ce but, le panneau de la présente invention utilise un conducteur composé corps me ci-dessus d'un très grand nombre de conducteurs unitaires dont les ratières sont alternées, mais dont la section est celle d'un film, c' est-à-dire que l'épaisseur du conducteur est extrezenent faible et sa largeur très grande par rapport a cette épaisseur. Les conducteurs unitaires sont formes de longues bandes parallèles disposées perpendiculairement la longueur du film, chaque bande ayant une longueur égale à la largeur du fila puisqu'elle s'étend d'une rive à l'autre du film, le matériau de chaque bande étant alternativement l'un puis l'autre corme indiqué antérieurenent. Le film ainsi constitué est plié en accordéon de manière à ce que les plis correspondent alternativement aux jonctions chaudes et froides. La foras générale du panneau est un parallélépipède rectangle dont une grande face porte les jonctions "chaudes" et la grande face opposée les jonctions "froides". La chaleur s'échange au travers de ces grandes faces. Le courant circule en suivant le film conducteur en zigzag suivant un sens général parallèle ces grandes faces. Pour mieux faire comprendre cette structure, on se réfère à la figure 3 qui montre en perspective la foras des conducteurs du panneau. Les conducteurs (10) et (11) ont une section générale en forme de filin nince, c'est-à-dire que leur épaisseur est extrê=asnt faible et leur largeur très grande par rapport à cette épaisseur. Ces conducteurs sont forés de longues bandes parallèles de longueur égale à la largeur du filin, ces bandes étant disposées perpendiculaireinent à la longueur du film d'une rive à l'autre du film. Le zateriau des conducteurs est alternativement l'un (10) puis l'autre (11) des deux Matériaux. Le film ainsi constitué est plié en accordéon de manière à ce que les plis correspondent alternativenent aux jonctions "chaudes" (12) et aux jonctions "froides" (13). L'ensemble plié a l'allure générale d'un panneau parallélépipedique (14) dont les jonctions "chaudes" sont situées sur une grande face et les jonctions "froides" sur la grande face opposée. La chaleur s'échange au travers de ces grandes faces suivant le sens de la flèche (15 > . Le courant circule le long des conducteurs en zigzag suivant un sens général (16) parallèle aux grandes faces. Pour la clarté du dessin, l'épaisseur du film a été fortement augmentée et les autres dimensions (largeurs, longueur et nombre de plis) fortement réduits. En réalité, le film est suffisamment fin et le pas des plis suffi salent réduit pour que l'empilage des milliers de plis donne au panneau une longueur raisonnable par rapport à sa largeur. A un gradient de température entre les deux grandes faces du panneau correspond une différence de potentiel électrique entre les extrémités du conducteur formé par les matériaux thermoélectriques (et vice-versa). A un flux de chaleur correspond un courant électrique (et vice-versa). Le panneau peut servir conne générateur de courant à partir d'une différence de temperature (effet Seebeck), ou inverseinent comme générateur de chaleur ou de froid à partir d'un courant électrique (effet Peltier). Les qualités thermoélectriques des matériaux varient suivant la teinpé- rature et il serait intéressant de faire travailler chaque jonction à la température pour laquelle ses caractéristiques sont les meilleures. Wais nalheureuserent, cela ne peut.etre obenu a la fois b la tenpérature de la source chaude et a la température de la source froide. Lorsque la différence de température entre les deux faces du panneau le justifie, il est possible d'intercaler entre les jonctions "chaudes" (12) et "froides" (13) une ou plusieurs jonctions interasdiaires telles que chaque jonction travaille dans une zone de teinpérature pour laquelle ses caracté- ristiques sont les meilleures. Ceci est obtenu comme illustre sur la vue en coupe 4 en scindant les bandes (10) et (11) en plusieurs bandes partielles (10'), (10''), (10'''), ... et (11), (11'), (11'''), ..., la composition de chaque bande étant adaptée à la temperature correspondante à sa position dans le panneau. Suivant un mode de réalisation préférentiel du panneau objet de l'invention, on utilise un film support isolant continu de faible épaisseur sur lequel on dépose les conducteurs unitaires sous foras de bandes parallèles alternées d'au noms deux Matériaux comme indiqué précédemment, les bandes se recouvrant legerement l'une sur l'autre pour la continuité électrique. Un film isolant recouvre les conducteurs pour assurer l'isolation entre plis lorsque le film ainsi compose sera plié en accordéon. L'ensemble formera alors un panneau parallélépipèdique conpact. La planche 2/3 présente en perspective la structure du panneau transducteur réalisé suivant ce mode de réalisation. Pour la clarté des illustrations, l'épaisseur des films a été ici aussi fortement exagérée en regard de ses longueur et largeur, et le nombre de plis fortement réduit. Sur la figure 5, le film est montré a plat. Le film isolant (1?) supporte les conducteurs unitaires (10) et (11 > . Ces conducteurs ont été déposés en longues bandes parallèles alternées avec un léger recouvreasnt pour assurer la continuité électrique. La section du conducteur est un filin mince. Sur la figure 6, l'ensemble a été recouvert d'un film isolant (18) interdisant tout contact électrique entre surfaces conductrices voisines, puis a été plié en accordéon. Les plis correspondent alternativement aux jonctions "chaudes" (12) et aux jonctions "froides" (13). La figure 7 montre que la foras extérieure du transducteur est un panneau parallélépipèdique rectangle (14). Les faces "chaude" (12) et "froide" (13) portent les jonctions. Il y est appliquée (ou apparaît) la différence de teinpérature et le flux thermique circule entre les grandes faces du panneau dans le sens de la fle che (15). La différence de potentiel apparait (ou est appliquée) sur les zones (19) et (20) et le courant circule suivant la flèche (16). Les extrémités (19) et (20) correspondant la première et dernière bande déposée servent pour les connexions électriques de l'appareil et ne sont pas recouvertes par l'isolant Des tiges (21) traversant les plis par des perforations assurent en nie tenps la tenue mécanique du panneau et des barreaux (22) et s'appuyent sur les zones d'extrémités (19) et (20) > Ils maintien- nent les plis comprimés et transmettent le courant électrique aux connexions Si, comme indiqué ci-dessus, les proportions ont été faussées pour la clarté des dessins, le procédé autorise la réalisation de panneaux de très grandes surfaces: la technique actuelle fournit par exenple des filas de polyester de 12 microns d'épaisseur, de 2,2 mètres de largeur et pouvant atteindre une longueur de 20 000 m. Le panneau peut ainsi avoir une largeur de 2,2 D et sa longueur sera l'épaisseur du film (quelques centiemes de milimetre) multipliée par le nonbre de plis (plusieurs milliers si nécessaire). avec avec des matériaux de faible pouvoir thernoélectrique, la mise en série de ces très nombreux éléments génère des tensions acceptables sans aucun problème. Les dimensions des panneaux sont facilement déterninées pour réaliser l'échange de puissances quelconques sous des tensions quelconques. Le procédé de dépot/pliage est simple et écononique à répéter autosa- tiquement à l'infini. L'invention est indépendante des matériaux enployés: le fils support (17) et le film isolant (18) peuvent etre tout matériau isolant électrique et thermique sous forme de filin rince et les matériaux (10) et (11) tout couple de conducteurs ayant un effet thernoélectrique: nétaux, seDi-conduc- teurs, etc... Le film (18) peut etre constitué d'un film séparé, ou déposé par projection, ou réalisé par action chimique à partir des matériaux (10) et/ou (il) (par exeMple oxydo-réduction) ou obtenu par toute autre méthode. Les bandes alternées astre déposées a l'aide de peintures ou d'encres co posées de fines particules de matériaux présentant l'effet thersoélectrique, par exemple des semi-conducteurs dopés respectivement P et N, les particules étant enrobées dans un liant pour en faciliter l'application. En variante, ces bandes peuvent aussi etre réalisées par iinpression, dépôt chimique, déport êlectrolytique, projection, pulvérisation, pulvéri- sation cathodique, métallisation sous vide, nétallisation plasma, etc... Le panneau réalisé suivant l'invention peut, entre autres, être utilise comme capteur d'énergie solaire à grand rendement à bord d'un satellite artificiel: la face "chaude" est exposée au rayonnerent solaire qui la porte a haute tesperature, et la face "froide" rayonne directement sur l'espace intersidéral ce qui la maintien à basse température. Une autre utilisation particulière du panneau suivant l'invention est d'en faire un conduit tubulaire dans lequel circule un fluide (si au moins l'une des sources chaude ou froide est un fluide). Pour cela, le panneau peut par exemple etre cintré pour former un conduit cylindrique circulaire. Le conduit aurait tout aussi bien pu être formé par plusieurs panneaux, par exemple 4 panneaux disposés en carré, ce qui forerait alors un conduit section carrée. La figure 8 de la planche 3/3 donne un exemple de ce type de panneau ailettes pour facilliter l'échange thermique et est recouvert à son tour d'une plaque (12') a ailettes également cylindriques. Si le tube (13') est par exemple traversé par un gaz chaud (chauffé par un braleurf ou gaz d'écbappeasnt d'un moteur, etc...), et l'extérieur refroidi par de l'air, cet ensemble constitue un générateur électrique simple, économique et efficace. Suivant une autre utilisation, un panneau chauffe ou refroidit par inversion de courant l'intérieur d'une même enceinte soit pour la maintenir a une teinpérature constante, soit au contraire pour la sounettre a des cycles de chaleur puis de froid, les cycles pouvant être pilotés par un progranateur. La figure 9 illustre un tel dispositif: un panneau (14) chauffe ou refroidit (par inversion de courant) l'intérieur d'une enceinte isolée, les cycles de chaleur étant pilotes par un programmateur . Un appareil de ce type peut par exemple conserver des aliments en les maintenant à basse tesperature, puis les réchauffer pour les rendre propres à l'alimentation. Cane il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se linite nullement à ceux de ses modes d'applica- tion et de réalisation qui ont été plus spécialeasnt envisagés; elle en einbrasse au contraire toutes les variantes. REVEKDICATIONS 1) Panneau transducteur thermoélectrique à nombreux thermocouples montes électriquement en série et thermiquement en parallèle, chacun formé d'au moins deux matériaux (10) et (11) alternés et présentant entre eux un effet therinoélectrique, en vue d'obtenir par effet Seebeck une puissance électrique importante sous tension élevée à partir d'une source "chaude" et d'une source "froide", ou inversement par effet Peltier d'obtenir de la chaleur ou du froid à partir d'un courant électrique, caractérisé par l'utilisation de conducteurs dont la section générale est celle d'un filin mince (c'est-à-dire que l'épaisseur du conducteur est extremement faible et sa largeur très grande par rapport à cette épaisseur), ces conducteurs étant fornes de longues bandes parallèles de longueur égale à la largeur du film disposées perpen diculairenent à la longueur du film (d'une rive à l'autre), le film ainsi constitue étant plié en accordéon de manière a ce que les plis correspondent alternativenent aux jonctions "chaudes" (12) et aux jonctions "froides" (13), la foras générale obtenue étant un panneau parallélépipèdique rectangle (14) dont une grande face porte les jonctions "chaudes" (12) et la grande face opposée les jonctions "froides" (13), l'échange de chaleur (15) se faisant à travers ces deux grandes faces et le courant circulant suivant un sens général (16) parallèle à ces faces. 2) Panneau transducteur thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs sont déposés sur un film support mince isolant et continu (17), le film ainsi constitué étant, avant pliage en accordéon, revetu d'un autre film isolant (18) sauf sur la première et la dernière bande déposées qui assurent les connexions électriques (19) et (20). 3) Panneau transducteur thermoélectrique selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par des tiges (21) et des barreaux (22) et (22'), les tiges traversant les plis par des perforations pour assurer la tenue mécanique du panneau et supporter les barreaux (22) et (22'), ces barreaux à leur tour s'appuyant sur les zones d'extrémité (19) et (20) afin de maintenir les plis conprînés et transmettre le courant électrique aux connexions (23) et (23'). 4) Panneau transducteur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par son utilisation comme capteur d'énergie solaire à bord de satellite artificiel, la face "chaude" étant exposée au rayonnement solaire et la face "froide" rayonnant dans le vide intersidéral. 5) Panneau transducteur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes destiné à effectuer l'échange chaleur/electricite au noyen d'au moins un fluide, caractérisé en ce que le panneau (14') (ou un ensemble de panneaux a été dispose en foras de conduit tubulaire cylindrique tel que le fluide puisse circuler à l'intérieur de ce conduit. 6) Panneau transducteur thernoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes destiné à chauffer ou refroidir l'intérieur d'une De e enceinte, soit pour la maintenir à une température constante, soit au contraire pour la soumettre à des cycles de chaleur puis de froid, caractérisé en ce que le rechauffement et le refroidisserent sont réalisés par inversion de courant. 7) Panneau transducteur thermoélectrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que les cycles de chaleur et de froid sont pilotés par un progranmateur.