Brevet FR2647598A1 — publié le 19901130

La presente invention est relative à un dispositif thermoélectrique fonctionnant entre deux écoulements de fluides, l'un étant un gaz et le second un liquide, ledit dispositif thermoélectrique pouvant être soit une pompe à chaleur, le courant gazeux étant alors refroidi ou réchauffe et le courant liquide étant alors rechauffe ou refroidi, soit un générateur thermoélectrique fonctionnant entre les deux ecoulements fluides dont l'un (le gaz ou le liquide) est la source chaude et l'autre (le liquide ou le gaz) la source froide. La présente invention est plus spécialement, mais non exclusivement, adaptée à un type de réalisation de systèmes thermoélectriques dans lesquels les pièces actives comprenant le matériau thermoélectrique sont en contact direct avec les échangeurs de chaleur qui sont egalement les conducteurs électriques chargés de faire transiter le courant électrique d'une pièce active à une autre. On connalt des réalisations de ce type concernant des dispositifs thermoélectriques gaz-gaz ou liquide-liquide. Mais les dispositifs thermoélectriques gaz-liquide ne peuvent pas être batis en associant simplement les deux types de réalisations gaz-gaz et liquide-liquide. On peut réutiliser des parties de l'un et l'autre systèmes en les modifiant de manière à tenir compte des particularites du système gaz-liquide, et plus particulièrement de son comportement mécanique. Pour la réalisation de dispositifs thermoélectriques gaz-liquide, la principale difficulté réside dans la necessité de réaliser la continuité hydraulique du circuit liquide sans induire des contraintes mécaniques indésirables au niveau des materiaux thermoélectriques en contact avec les échangeurs à liquide et les échangeurs à gaz. En effet, les matériaux thermoélectriques montrent, à l'instar des bétons, une bonne résistance à la compression et une très grande fragilité à la traction et au cisaillement. Il faut dans la pratique mettre les pièces actives contenant les matériaux thermoélectriques sous compression de telle sorte qu'ils y demeurent dans toutes les conditions d'utilisation. I1 a été proposé de réaliser le circuit liquide en reliant des échangeurs à liquide par des liaisons étanches, souples et électriquement peu conductrices. On utilise des échangeurs à liquide constitués d'un bloc métallique en contact avec une ou deux pièces actives et percé d'un conduit pour le passage du liquide, chaque echangeur etant relie à l'échangeur voisin par des soufflets métalliques très minces brasés à deux échangeurs consécutifs. Outre la complexité et le cout très éleve des pieces et de leur mise en oeuvre, ce système présente le grave inconvénient de mettre le liquide sous tension. De plus il y a continuité métallique entre deux échangeurs consécutifs par les soufflets métalliques donc dérivation d'une partie du courant, ce qui vient perturber le fonctionnement du dispositif thermoélectrique. Ceci oblige à alimenter sous basse tension les unités, donc à découper les dispositifs de forte puissance en unités ayant chacune leur alimentation basse tension et forte intensité. Cette disposition multiplie les alimentations electriques. Avec un tel dispositif, il est impossible d'utiliser pour les pièces actives des modules thermoélectriques connus constitués par l'assemblage de plusieurs thermo-éléments, en nombre impair, qui permettent, au contraire des pièces thermoélectriques uniques, de diviser l'intensité electrique et de multiplier la tension par un facteur important et ainsi de pouvoir utiliser même pour des puissances frigorifiques moyennes la tension du réseau redressée pour l'alimentation. Pour éviter tous les inconvenients d'un tel dispositif et en particulier l'électro-corrosion avec les circuits d'eau, il est impératif de placer le circuit liquide à la terre. Le dispositif objet de l'invention permet la réalisation des batteries thermoélectriques gaz-liquide composées de colonnes dans lesquelles le circuit liquide est mis à la terre, isole electriquement des échangeurs à liquide qui sont sous tension, les pieces actives contenant le materiau thermoélectrique étant protégées du courant gazeux et des condensations éventuelles par un joint élastique qui assure en outre le positionnement des échangeurs, aussi bien les échangeurs à liquide que les échangeurs à gaz, qui ont des bases de meme forme et des moyens de maintien en compression des colonnes. La presente invention a pour objet un dispositif thermoélectrique fonctionnant entre deux écoulements de fluide, l'un etant un gaz et l'autre un liquide, ce dispositif pouvant fonctionner soit en pompe à chaleur, l'un des deux fluides étant refroidi et l'autre réchauffé, soit en générateur de courant électrique, les deux fluides étant à des températures différentes, l'un étant la source chaude et l'autre la source froide, ce dispositif etant constitue par l'assemblage d'une pluralité de colonnes identiques formées chacune par l'empilement d'échangeurs thermiques alternativement à gaz et à liquide maintenus en compression par des tirants, lesdits échangeurs à liquide appartenant au même étage de colonnes adjacentes étant traversés par un tube métallique recouvert d'un isolant électrique, au moins une pièce active contenant le matériau thermoélectrique étant interposee entre deux échangeurs thermiques successifs, un joint d'étanchéité étant disposé entre lesdits échangeurs thermiques successifs. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexes donnés à titre d'exemple, non limitatif, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue éclatée en perspective avec arrachement partiel, d'un premier mode de réalisation d'une batterie thermoelectrique liquide-gaz suivant l'invention, figure limite ici à un étage d'échangeurs à gaz et un etage d'échangeurs à liquide ; - la Fig. 2 est une vue en coupe selon un plan vertical orthogonal aux conduits liquides et passant par les pièces actives thermoélectriques d'un dispositif semblable à celui représente sur la Fig. 1, mais comportant deux etages d'échangeurs à liquide encadrant un étage d'échangeurs à gaz, l'ensemble etant en position assemblée - la Fig. 3 est une vue en coupe verticale du même dispositif prise suivant la ligne III-III de la Fig. 2 ; - la Fig. 4 est une vue en coupe verticale, comparable à celle représentée sur la Fig. 2 d'un second mode de realisation d'une batterie thermoélectrique liquide-gaz selon l'invention ; - la Fig. 5 est une vue en coupe verticale, comparable aux représentations des Fig. 2 et 4 d'un troisième mode de réalisation d'une batterie thermoelectrique liquide-gaz selon l'invention ; - la Fig. 6 est une vue en perspective d'une variante de réalisation qui peut être appliquée à chacun des modes de réalisation représentés ci-dessus. Sur les Fig. 1 à 3 est représentée une première realisation d'une batterie thermoelectrique liquide-gaz selon l'invention. Une batterie est composée d'une pluralité de colonnes représentées ici verticales, les axes des colonnes n'étant pas portes sur la Fig. 1 pour ne pas en surcharger la représentation. Une colonne est formee par l'empilement d'échangeurs à gaz 1 et d'échangeurs à liquide 3 séparés par des joints 2 assurant l'étanchéité pour les pièces actives 6 par rapport au circuit gazeux et le positionnement des échangeurs les uns par rapport aux autres, les pieces actives thermoélectriques 6 étant en contact avec les deux types d'échangeurs qui assurent le passage du courant électrique. Un système de compression réalisé par un tirant 7 dont seul l'axe est figuré permet de maintenir les colonnes sous compression permanente. Un tirant joue ce râle pour plusieurs colonnes, la force de compression etant répartie sur les colonnes par des moyens adaptés qui ne font pas partie de cette description, situes aux extrémités supérieure et inférieure des colonnes. Une telle disposition utilise un seul tirant pour assurer le serrage de plusieurs colonnes, quatre colonnes dans le cas présent. Un échangeur à gaz 1 est un parallélépipède comprenant deux bases carres ou rectangulaires lla, llb paralleles entre elles, réunies par au moins une ame centrale 12 perpendiculaire aux bases lla, llb, unique dans l'exemple décrit, d'épaisseur suffisante pour assurer la résistance à la force de compression. L'essentiel de la surface d'échange est constitue par une pluralite d'ailettes 13 situees de part et d'autre de l'amie centrale 12 et en bon contact thermique avec les bases lla, llb. L'efficacité des échanges thermiques peut etre améliorée en donnant à ces ailettes une forme creant une turbulence, par exemple des ondulations. Au centre de la face extérieure de la base supérieure lla est ménagée une empreinte 14 en forme de calotte sphérique qui est la forme conjuguée de la portion de surface sphérique 62 convexe de la pièce active 6. L'autre face terminale de ladite pièce active 6 est une surface plane 61 qui sera en contact avec la face extérieure de la base inférieure llb, plane elle aussi, de l'échangeur 1. Dans cette description, comme dans les descriptions des autres modes de réaliation présentés plus loin, les empreintes en forme de calottes sphériques des échangeurs à gaz et des échangeurs à liquide sont placées sur les bases supérieures de ces échangeurs, les bases inférieures etant planes. I1 est evident que la presente invention couvre egalement le cas ou ces empreintes sont placees sur les bases inférieures des échangeurs, les bases supérieures étant alors planes. Les échangeurs à gaz 1 d'un etage viennent en contact avec un joint élastique 2 composé d'un réseau de bandes 21 en materiau élastomère se croisant à angle droit et formant aussi dans le plan du joint des cases de taille et de forme proportionnées à celles des bases lla, llb des échangeurs à gaz comme à celles des bases des échangeurs à liquide 31a, 31b décrites ci-après. Les bandes 21 portent sur leurs deux faces supérieure et inferieure des moulures 23 en relief, moins larges que la bande 21, matérialisant des logements destinés à recevoir les bases des échangeurs qui portent ainsi sur les surfaces d'appui 22 des bandes 21. Chaque case délimitée par la bande 21 présente une ouverture 24 dans laquelle vient se loger la pièce active thermoélectrique 6 en contact avec les deux types d'échangeurs. Au croisement de certaines bandes est menagé un passage de section circulaire 25 pour un tirant 7. Ces emplacements sont choisis pour pouvoir placer le nombre nécessaire de tirants pour un serrage régulier de la batterie. Les joints 2 sont réalisés dans un matériau élastomère dont les qualités mécaniques sont choisies pour assurer à la fois l'étanchéité entre les etages et la stabilite mécanique de la batterie. Un échangeur à liquide 3 comprend deux bases carrées ou rectangulaires 31a, 31b parallèles entre elles réunies par une partie intermédiaire 32 massive ayant la forme d'un parallélépipède rectangle dont le grand axe est contenu dans un des deux plans médiateurs des deux bases. Cette partie intermédiaire 32 est percee suivant son grand axe d'un canal à section circulaire 33 destiné à recevoir un tube 4 métallique continu, commun à plusieurs échangeurs 3 appartenant au meme étage de colonnes adjacentes, le tube 4 étant recouvert d'un isolant electrique 5. Le conduit d'écoulement du fluide ainsi formé est orthogonal à l'axe des colonnes. L'isolant électrique 5 peut être soit solidaire du tube métallique 4, soit solidaire de l'échangeur à liquide 3 sur la surface intérieure du canal 33 ou encore etre indépendant du tube et de l'échangeur sous la forme d'une manche glissant sur le tube. Comme pour l'échangeur à gaz 1, la base supérieure 31a porte en son centre une empreinte en forme de calotte sphérique 34 qui coopère avec la portion de surface sphérique 62 de la pièce active 6. La base inférieure 31b est plane et coopère avec la portée plane 61 de la piece active 6. Les bases 31a, 31b des échangeurs à gaz ont la forme et les dimensions nécessaires pour venir se placer dans les logements des joints 2 délimites par les moulures 23. En pratique ces bases sont semblables à celles des échangeurs à gaz lla, llb. L'ensemble de l'empilement formé par les échangeurs à gaz 1, les joints 2, les pièces actives 6 et les échangeurs à liquide 3 avec les tubes 4 et l'isolant 5 qui leur est associé est maintenu sous une forte compression par des tirants 7 répartis régulièrement et placés entre les séries d'échangeurs. Des moyens de répartition de la force de compression, non représentés sur les figures, sont prévus aux extrémités supérieure et inférieure de la batterie. Un second mode de réalisation d'une batterie thermoélectrique liquide-gaz selon l'invention est presenté sur la Fig. 4 qui est semblable à la Fig. 2 décrite ci-dessus et où les memes repères numériques désignent les pièces communes aux deux modes de réalisation. La différence porte sur la forme de l'échangeur à liquide 103 qui est constitué par deux bases carrées ou rectangulaires 131a et 131b parallèles entre elles réunies par une partie intermédiaire 132 massive qui est déportée d'un coté et sur l'exemple donné Fig. 4 repoussée à l'extrémité droite des deux bases. Comme précédemment cette section intermédiaire 132 est percée d'un canal à section circulaire 133 qui reçoit le tube métallique 4 revêtu de l'isolant 5. Une empreinte en forme de calotte sphérique 134 située au milieu de la base supérieure 131a est destinée à coopérer avec la surface conjuguée 62 de la pièce active 6. Ce mode de réalisation donne une certaine flexibilité à l'échangeur à liquide 103 qui, associé à la flexibilité de l'échangeur à gaz 201, permet un rattrapage des petites différences de hauteur des différentes pièces constituant la colonne. Un troisieme mode de réalisation d'une batterie thermoelectrique liquide-gaz selon l'invention est présentée sur la Fig. 5 qui est semblable aux Fig. 2 et 4 décrites ci-dessus et où les mêmes reperes numériques designent toujours les pièces communes aux trois modes de réalisation. Les modifications portent à la fois sur l'échangeur à liquide et sur l'échangeur à gaz qui sont destines à cooperer chacun avec un nombre pair de pièces actives thermoélectriques, réparties symétriquement par rapport au plan médian de la colonne passant par l'axe des tubes. Un échangeur à liquide 1003 est, dans ce mode de realisation, comparable à celui decrit précédemment pour la réalisation illustrée par les Fig. 1 à 3. L'echangeur 1003 comprend deux bases quadrangulaires 1031 a, 1031b réunies entre elles par une partie intermédiaire massive 1032 percée d'un canal à section circulaire 1033 recevant le tube 4 metallique et son isolant 5. La base supérieure 1031a porte deux series d'empreintes en forme de calotte sphérique destinées à recevoir les extrémités correspondantes en forme de calotte sphérique des pièces actives. Sur la Fig. 5 il a été supposé que le nombre pair de ces pièces actives et donc des empreintes correspondantes est égal à deux. Dans ce cas, les deux empreintes 1034a, 1034b qui reçoivent les pièces actives 1006a, 1006b sont placées symétriquement de part et d'autre du plan médiateur de l'échangeur passant par l'axe des tubes et dans le second plan médiateur de celui-ci orthogonal au premier et parallèle à l'axe de la colonne. Si le nombre pair des pièces actives et des empreintes est supérieur à deux (4, 6...) ces dernières sont situées sur la base supérieure 1031 a, régulièrement espacées sur des lignes parallèles à l'axe du tube. La base inférieure 1031b est plane et semblable à la base inférieure des modes de realisation précédemment décrits. Un échangeur à gaz 1001 est dans ce mode de réalisation similaire à l'échangeur à gaz des autres modes de réalisation précédemment decrits. La différence réside dans la serie d'empreintes (réduite à deux sur la Fig. 5) 1014a, 1014b sur la base superieure 1011a dont la position est identique à celle rencontre sur la base supérieure 1031a de l'échangeur liquide 1003. Comme dans le second mode de réalisation, on a ici une certaine flexibilité de l'échangeur à liquide 1003 qui permet de rattraper les petites différences de hauteur des différentes pieces constituant la colonne. Enfin, il peut encore etre envisagé que dans les bases supérieures des échangeurs à gaz et à liquide sont ménagées trois empreintes en forme de calotte sphérique destinées & recevoir les extrémités correspondantes, en forme de calotte sphérique, des pieces actives. Ces trois empreintes sont disposées aux sommets d'un triangle. La variante de réalisation présentée & la Fig. 6 peut etre utilement appliquee à chacun des modes de realisation decrits cidessus. Sur la Fig. 6 sont représentés seulement un échangeur à gaz 201 et le joint correspondant 202 représentatifs d'un des deux premiers modes de réalisation décrits ci-dessus. L'échangeur à gaz 201 est semblable aux échangeurs à gaz déjà décrits à l'exception de la forme des bases 211a, 211b qui presentent une troncature 215 à la place de chacun des quatre angles. Ceci entrasse une modification mineure des ailettes extérieures dont la longueur le long du trajet du gaz doit être légèrement réduite. Sur la Fig. 6 on voit que les deux ailettes extérieures 213a et 213b ont une longueur réduite par rapport aux ailettes courantes 213. La modification décrite ci-dessus est également apportée aux différents types d'échangeur à liquide 3, 103, 1003 décrits ci-avant. Le joint 202 subit lui aussi une modification de façon a présenter une forme des logements et des surfaces d'appui 222 permettant de recevoir la nouvelle forme des bases. Des pans coupés 226 sont prévus au croisement des bandes élastiques 221 portant les reliefs 223. Ceci permet de disposer à chaque croisement d'une surface délimitee par les quatre pans coupés 226 qui peut recevoir en son centre un passage de section circulaire 225 pour le tirant 7 de serrage de la batterie. Dans cette variante le pan coupé rectiligne 215 peut être remplacé par un arc de cercle de rayon approprié ou une autre ligne continue convexe ou concave. La présente invention couvre également le cas où les quatre angles des bases ne sont pas tronqués suivant un pan coupé ou un arc de cercle ou une ligne convexe ou concave. Pour dégager la surface nécessaire au tirant 7, il peut suffire de tronquer seulement un ou deux des angles des bases, le ou les angles tronqués d'une base correspondant au même angle ou aux mêmes angles de l'autre base. I1 va de soi que, dans une meme colonne constituee d'un empilement d'échangeurs à gaz et à liquide alternes, le ou les angles tronques sont placés en regard. Une telle disposition permet de réduire notablement l'espace entre les échangeurs adjacents d'un meme étage par diminution de la largeur des reliefs 223 qui le déterminent, et ainsi d'augmenter la compacite de la batterie. Les avantages présentes par le dispositif thermoélectrique objet de l'invention sont les suivants - grande adaptabilite aux contraintes geometriques du fait de la modularite de la construction qui permet de jouer sur le nombre d'éléments constitutifs de chaque colonne et sur le nombre de colonnes - grande robustesse aux chocs et aux vibrations, ainsi qu'aux contraintes mécaniques creees par les différences de température, ce qui permet d'utiliser ce dispositif dans des conditions de travail sévères ; - utilisation possible de ce dispositif pour réaliser : . soit une pompe à chaleur thermoélectrique refroidissant le gaz et rejetant la chaleur dans le liquide, dont un exemple est un climatiseur thermoélectrique ; . soit une pompe a chaleur thermoelectrique refroidissant le liquide et rejetant la chaleur dans le gaz, dont une application est le refroidissement d'armoires électroniques par le circuit liquide refroidi ; soit un générateur thermoélectrique ayant sa source chaude dans le gaz et refroidi par le liquide, dont un exemple est un générateur de courant travaillant en récupération sur des fumées soit un générateur thermoélectrique ayant sa source chaude dans le liquide et refroidi par le gaz, dont une application est la récupération de la chaleur d'un circuit liquide de refroidissement. REVENDICATIONS 1) Dispositif thermoélectrique fonctionnant entre deux écoulements de fluides, l'un étant un gaz et l'autre un liquide, ce dispositif pouvant fonctionner soit en pompe à chaleur, l'un des deux fluides étant refroidi et l'autre réchauffe, soit en générateur de courant électrique, les deux fluides étant à des temperatures differentes, l'un étant la source chaude et l'autre la source froide, caractérise en ce qu'il est constitue par l'assemblage d'une pluralité de colonnes identiques formees chacune par l'empilement d'échangeurs thermiques alternativement à gaz (1, 201, 1001) et à liquide (3, 103, 1003) maintenus en compression par des tirants (7), lesdits échangeurs à liquide appartenant au même étage de colonnes adjacentes etant travorsés par un tube (4) metallique recouvert d'un isolant électrique (5), au moins une pièce active (6, 1006a, 1006b) contenant le matériau thermoélectrique étant interposée entre deux échangeurs thermiques successifs, un joint d'étanchéité (2) étant disposé entre lesdits échangeurs thermiques successifs (1, 201, 1001) et (3, 103, 1003). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérise en ce que la pièce active (6, 1006a, 1006b) contenant le matériau thermoélectrique, est de forme générale cylindrique et présente une surface (61) d'extrémité plane, l'autre surface (62) d'extrémité ayant la forme d'une calotte sphérique convexe centrée sur l'axe de ladite pièce active. 3.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que un echangeur thermique à liquide (3, 1003) est constitué de deux bases (31a, 31b, 1031 a, 1031b) planes, carrées ou rectangulaires, parallèles entre elles, réunies par une partie intermédiaire (32, 1032) massive en forme de parallélépipède rectangle dont le grand axe est contenu dans l'un des deux plans médiateurs des deux bases (31a, 31b, 1031b), cette partie intermédiaire (32, 1032) étant percée suivant son grand axe d'un canal (33, 1033). 4.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que un échangeur thermique à liquide (103) est constitue de deux bases (131a, 131b) planes, carres ou rectangulaires, parallèles entre elles, réunies par une partie intermédiaire (132) massive en forme de parallélépipède rectangle dont le grand axe est excentre par rapport à l'un des deux plans mediateurs des deux bases (131a, 131b) et parallèle & ce plan, cette partie intermédiaire (132) étant percee suivant son grand axe d'un canal (133). 5.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que un échangeur thermique & gaz (1, 201, 1001) est constitué de deux bases (lla-llb, 211a-211b lOlla-lOllb) planes, carrées ou rectangulaires, parallèles entre elles, reliées entre elles par au moins une àme (12) perpendiculaire aux dites bases, une pluralité d'ailettes (13, 213) étant disposees entre lesdites bases et en contact avec celles-ci. 6.- Dispositif suivant l'une des revendications 1, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que les deux bases des échangeurs thermiques à liquide (3, 103, 1003) et a gaz (1, 201, 1001), respectivement (31a, 31b, 131a-131b, 1031a-1031b) et (lla-llb, 211a-211b, lOlla-lOllb), présentent au moins une troncature, pour l'échangeur a liquide, (215) pour l'échangeur à gaz, ladite troncature affectant les angles correspondants des deux bases d'un meme echangeur thermique ainsi que les angles correspoodants des échangeurs thermiques successifs compris dans une meme colonne. 7.- Dispositif suivant l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'une des bases des échangeurs thermiques à gaz (1, 201, 1001) et à liquide (3, 103, 1003) est pourvue d'au moins une empreinte (14, 1014, 34, 134) en forme de calotte sphérique coopérant avec la surface (62) d'extrémité convexe d'au moins un élément actif (6, 1006a, 1006b). 8.- Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé en ce que l'une des bases des échangeurs thermiques à gaz (1001) et à liquide (1003) est pourvue d'un nombre pair d'empreintes en forme de calotte sphérique, respectivement (1014a, 1014b) et (1034a, 1034b) disposées symétriquement par rapport au plan de symétrie perpendiculaire à l' & me (12) pour l'échangeur & gaz (1001) et disposées symétriquement par rapport au plan de symetrie contenant l'axe du canal (1033) pour l'échangeur a liquide (1003). 9.- Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé en ce que l'une des bases des échangeurs thermiques à gaz et & liquide est pourvue de trois empreintes en forme de calotte sphérique disposées au sommet d'un triangle. 10.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que des moyens d'étanchéité (2, 202) sont disposés entre les échangeurs thermiques à gaz (1, 201, 1001) et à liquide (3, 103, 1003), des ouvertures (24) ménagees dans lesdits moyens d'étanchéité permettant le passage de la ou des pièces actives (6, 1006a, 1006b) disposées entre deux échangeurs thermiques successifs, et des moulures (23) en relief desdits moyens d'étanchéité formant des logements pour les échangeurs thermiques. 11.- Dispositif suivant les revendications 3 et 4 caractérisé én ce que les échangeurs thermiques à liquide (3, 103, 1003) d'une même rangée sont disposes sur un tube metallique (4) commun traversant lesdits échangeurs par le canal (33, 133, 1033).