Brevet FR2667985A1 — publié le 19920417

DISPOSITIF AUTONOME D'ALIMENTATION ELECTRIQUE A THERMOELEMENTS Description La présente invention a pour objet un dispositif autonome d'alimentation électrique à thermoéléments. Elle s'applique notamment à l'alimentation électrique de circuits placés en environnement dangereux interdisant l'utilisation des sources d'alimentation traditionnelles. Parmi les problèmes de sécurité posés aux industriels, l'incendie occupe une place prépondérante. On comprend qu'en environnement explosif, ce risque est encore plus particulièrement pris en compte. Le contrôle à distance du bon fonctionnement des installations industrielles et particulièrement des installations potentiellement dangereuses est assuré par des capteurs de surveillance et de régulation, disposés sur le site et en relation avec un poste de contrôle. De manière générale, ces capteurs nécessitent une alimentation électrique. Une source d'électricité comme une batterie peut être placée à distance, hors du périmètre dangereux, et reliée aux capteurs par des raccordements câblés. En cas d'incendie, ou de tout autre incident, les câbles peuvent être déteriorés voire coupés ; l'alimentation électrique des capteurs n'est alors plus assurée, laissant le poste de contrôle sans information. Pour éviter l'utilisation d'importantes longueurs de câbles, on utilise des alimentations électriques autonomes placées à proximité des capteurs. Parmi ces alimentations électriques autonomes, on connaît les dispositifs à photopiles ; mais ceux-ci ne sont utilisables que dans des environnements baignés d'une lumière suffisante. On connaît aussi des dispositifs à génératrice rotative du type éolienne au groupe électrogène ; mais ces dispositifs possèdent des pièces en mouvements sujettes à l'usure, nécessitant un entretien régulier contraignant. Le but de la présente invention est de fournir une source d'alimentation électrique autonome utilisable en environnement dangereux et ne présentant pas les inconvénients des sources d'alimentation actuellement utilisées. Pour atteindre ce but, l'invention préconise d'utiliser l'énergie calorifique présente sur le site considéré en la transformant en électricité à l'aide de thermoéléments. De manière plus précise, la présente invention concerne un dispositif autonome d'alimentation électrique comprenant - un échangeur de chaleur possédant une face de contact, - une platine en matériau bon conducteur de la chaleur possédant une face de contact et par ailleurs une géométrie pour une fixation avec contact thermique sur un organe générateur de chaleur, - une thermopile maintenue entre les faces de contact de l'échangeur de chaleur et de la platine, - des moyens d'isolation électrique mais bon conducteurs thermiques disposés d'une part entre la thermopile et la face de contact de L'échangeur de chaleur et, d'autre part entre la thermopile et la face de contact de la platine. Le dispositif engendre un signal électrique aux bornes de La thermopile par effet Seebeck. La source froide peut être par exemple l'atmosphère ambiante ; La source chaude peut être par exemple une canalisation pour La circulation d'un fluide à haute température. On met à profit la différence de températures pour produire de l'énergie électrique de manière autonome. La géométrie de la platine permet la fixation du dispositif sur un organe générateur de chaleur. Le dispositif peut, à la demande être facilement monté, puis démonté et déplacé en un autre endroit. De manière avantageuse, l'échangeur de chaleur est un circuit à circulation de fluide caloporteur comprenant : - une platine pour l'évaporation du fluide caloporteur, cette platine étant en matériau bon conducteur de la chaleur et percée d'un canal pour la circulation du fluide, cette platine possédant ladite face de contact, - un condenseur pour la condensation du fluide caloporteur, - deux canalisations reliant la platine au condenseur, la platine et le condenseur étant disposés de manière à ce que l'évaporation et la condensation mettent le fluide en circulation dans le circuit. Pour fonctionner convenablement, le condenseur présentant une large surface en contact avec la source froide, est positionné plus haut que l'évaporateur. Le fluide sous forme liquide est entraîné par son propre poids vers l'évaporateur. La vapeur créée tend, quant à eLle, à remonter vers le condenseur, ce qui assure la circulation du fluide. Les canalisations reliant l'évaporateur au condenseur sont avantageusement souples. On peut ainsi facilement optimiser le positionnement du condenseur, par exemple hors de la zone de turbulences produites par la présence de la source chaude. De manière préférée, ces canalisations sont en acier inoxydable. La thermopile est en contact thermique avec l'évaporateur et la platine fixée sur la source chaude. Mais elle est isolée électriquement de ces éléments Selon une première variante de réalisation, les moyens d' isolation électrique comprennent au moins un joint électriquement isolant mais bon conducteur de la chaleur. Selon une autre variante de réalisation, les moyens d'isolation électrique consistent en une anodisation d'au moins une face de contact. Dans une réalisation destinée à fonctionner avec une canalisation comme source chaude, la platine comporte deux éléments aptes à être fixés l'un à l'autre, chaque élément comportant un évidement faisant mâchoire pour la fixation de la platine sur la canalisation, chaque évidement épousant la géométrie de la canalisation. De manière préférée, la thermopile est positionnée à l'intérieur du périmètre d'un joint d'étanchéité enserré entre les faces de contact de l'échangeur de chaleur et de la platine. Les faces de contact de l'évaporateur et de la platine, fermées par le joint, créent un logement étanche dans lequel est positionnée la thermopile. On peut ainsi éviter La dégradation des performances de la thermopile due à l'oxydation. La thermopile est constituée de thermoéléments reliés en série et comprenant chacun plusieurs thermocouples reliés en série entre eux. Le nombre de thermocouples (ou thermoéléments) est déterminé par les caractéristiques électriques désirées en sortie de la thermopile. Celles-ci étant dépendantes de la différence de température entre La source chaude et la source froide, cette dernière pouvant éventuellement fluctuer, le dispositif comprend avantageusement, connecté aux bornes de la thermopile, un convertisseur apte à transformer une tension et une intensité en une tension et une intensité de valeurs déterminées. Avantageusement, le dispositif comprend une batterie pour le stockage de l'énergie électrique délivrée par la thermopile. Les caractéristiques et avantages de 11 invention apparaitront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement une vue partielle en coupe d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention. En référence aux figures 1 et 2, on décrit maintenant un dispositif autonome d'alimentation électrique apte à se fixer sur une canalisation 5 pour la circulation d'un fluide à haute température. Cette canalisation 5 joue le rôle de source chaude. Une platine 10 en matériau bon conducteur de La chaleur, cuivre ou aluminium par exemple, comprend deux éléments 10a et 10b comportant chacun un évidement cylindrique 12a, 12b formant une mâchoire épousant la géométrie de la canalisation 5. Chaque évidement 12a, 12b est isolé électriquement de la canalisation 5. Pour cela, un joint 13a, 13b isoLant électriquement mais bon conducteur thermique, par exemple du type de celui commercialisé par La Société Getelec sous la référence Cho-term R1671, tapisse la paroi intérieure de chaque élément 10a, 10b. Les éléments 10a et 10b sont solidarisés l'un à l'autre par des moyens de fixation. Sur la figure 2, ces moyens de fixation sont réalisés par des boulons 14 traversant des orifices débouchants 16 percés dans L'élément inférieur 10b et se vissant dans des orifices filetés 18 percés à cet effet dans l'élément supérieur 10a. L'élément supérieur 10a possède une face de contact 20 munie d'un moyen d'isolation électrique qui peut être une anodisation symbolisée par la référence 22 pour un élément 10a en aluminium ou bien un joint isolant électriquement et bon conducteur thermique du type de celui commercialisé par la Société Getelet sous la référence Cho-term R1671. Ce joint est symbolisé par la référence 23. Le dispositif conforme à l'invention comporte un échangeur de chaleur 24. Ce dernier est réalisé par un circuit à circulation de fluide caloporteur. Il est en contact avec une source froide, par exemple l'atmosphère ambiante. Le fluide caloporteur peut être du type de celui connu sous le nom de fréon (par exemple du trichlorofluorométhane). Une platine 26 pour l'évaporation du fluide caloporteur réalisée en matériau bon conducteur thermique, cuivre ou aluminium par exemple, possède une face de contact 28 munie d'un moyen d'isolation électrique symobilisé par la référence 30. Ce moyen 30 peut être par exemple une anodisation pour une platine 26 en aluminium ou bien un joint du type de celui commercialisé par la Société Getelec sous la référence Cho-term R1671. Deux canalisations 34, 36 souples, en acier inoxydable par exemple, relient la platine 26 pour l'évaporation du fluide caloporteur à un condenseur 38 par exemple du type de celui commercialisé par la Société Date sous la référence "Condenseur à convection naturelle n0 86F028/002". Ce type de condenseur possède un tube de circulation du fluide en cuivre, ce tube étant muni d'ai lettes de refroidissement en aluminium qui augmentent la surface d'échange thermique. Les canalisations souples 34, 36 présentent une longueur pouvant atteindre 2 m. Elles permettent de positionner le condenseur 38 favorablement pour un bon fonctionnement de l'échangeur de chaleur 24. Suivant le point d'ancrage choisi pour les éléments 10a, 10b, on peut ainsi optimiser facilement le dispositif en éloignant le condenseur 38 des zones de turbulences et de convexion régnant à proximité de la canalisation 5. Le condenseur peut aussi être aisément maintenu en position haute par rapport à la platine 26 pour l'évaporation du fluide caloporteur. Cette condition de positionnement est nécessaire pour mettre en oeuvre la circulation du fluide. Ce dernier est présent sous forme liquide dans Le condenseur 38. Sous l'effet de son propre poids, il est entrainé vers la platine 26 à l'intérieur de laquelle il se vaporise. Le fluide sous forme de vapeur remonte vers le condenseur 38 où le cycle se perpétue, maintenant le fluide en circulation. Une thermopile 40 est maintenue entre les faces de contact 20 et 28 de l'élément 10a et la platine 26 pour l'évaporation du fluide caloporteur. La thermopile 40 est isolée électriquement des faces de contact 20, 28 par les moyens d'isolation électrique précédemment décrits mais tout en restant en bon contact thermique. Elle est constiuée de plusieurs thermoéléments 42 (huit dans L'exemple représenté sur la figure 1) reliés entre eux en série. Chacun de ces thermoéléments 42 est constitué de plusieurs thermocouples (par exemple, 87 thermocouples par thermoélément) reliés entre eux en série. Ces thermocouples peuvent par exemple posséder une électrode en tellurure de bismuth fritté dope négativement et une électrode en tellurure de bismuth fritté dopé positivement. Ils sont par exemple du type de ceux commercialisés par la Société Thermodif sous la référence CB 475030. Les thermoéléments 42 se présentent sous la forme de parallélépipèdes rectangles dont les faces en contact avec les faces de contact 20, 28 sont rodées pour améliorer les échanges thermiques. Pour le maintien de la thermopile, la platine 26 pour l'évaporation du fluide caloporteur est rendue solidaire de l'élément 10a par des moyens de fixation, par exemple des boulons 44 traversant des orifices débouchant percés dans la platine 26 et vissés dans des orifices prévus à cet effet dans l'élément 10a. La thermopile 40 est positionnée dans le périmètre d'un joint torique 46 enserré entre les faces de contact 20, 28 de manière à former une enceinte hermétique protégeant la thermopile de l'érosion. Les fils de connexion 48, 50 sont reliées à la thermopile 40 et passent au travers de l'élément 10a par une traversée 52 fermée de manière étanche. Lorsque Les faces de contact 20, 28 sont portées à des températures différentes, la thermopile délivre un signal électrique proportionnel à la différence de températures conformément à l'effet Seebeck. Or, dans bien des cas, les températures des faces de contact peuvent varier de façon notable entraînant des fluctuations sur le signal électrique. Pour pallier cet inconvénient, on connecte un convertisseur en sortie de La thermopile. Ce convertisseur permet de transformer la tension et l'intensité de sortie de la thermopile en une tension et une intensité de valeurs déterminées, quel que soit L'écart de températures entre les faces de contact 20 et 28. La figure 3 représente une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention comportant un tel convertisseur 54 connecté aux fils 48, 50. Ce convertisseur 54 peut être par exemple du type fabriqué par La Société OPTION (réf. 3053/ms). Il est avantageusement contenu dans un boîtier étanche qui le protège des agressions extérieures. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, l'énergie électrique est stockée dans une batterie 58 par l'intermédiaire d'une résistance de charge 56. La tension variable en fonction des différences est donc transformée en une tension régulée à 12 V par exemple. Le stockage de l'énergie électrique dans la batterie 58 connectée au convertisseur en un montage "parallèle" permet de répondre aux appels ponctuels de puissance lorsque la différence de températures entre les faces de contact 20, 28 ne permet pas de fournir un signal électrique suffisamment puissant. Un tel dispositif permet d'assurer l'alimentation électrique nécessaire à des capteurs de surveillance disposés sur des sites industriels soumis à des problèmes de sécurité (environnement inflammable ou explosif). Les raccordements câblés sont réduits au minimum, ce qui diminue les risques de coupure ou de court-circuit. Un tel dispositif s'adapte facilement à la géométrie de différentes sources chaudes ; commodément, l'atmosphère ambiante sert de source froide mais ce n'est pas une obligation. Les canalisations souples de l'échangeur de chaleur permettent de rechercher le positionnement le plus favorable au bon fonctionnement. Le montage et le démontage aisés permettent de déplacer à volonté le dispositif. En cas de nécessité, plusieurs dispositifs conformes à l'invention peuvent être reliés en série de manière à fournir les puissances électriques demandées. Revendications 1. Dispositif autonome d'alimentation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend - un échangeur de chaleur (24) possédant une face de contact (28), - une platine (10) en matériau bon conducteur de la chaleur possédant une face de contact (20) et par ailleurs une géométrie pour une fixation avec contact thermique sur un organe générateur de chaleur (5), - une thermopile (40) maintenue entre les faces de contact (28, 20) de l'échangeur de chaleur (24) et de la platine (10), - des moyens d'isolation électrique (22, 23, 30) mais bon conducteurs thermiques disposés d'une part entre la thermopile (40) et la face de contact (28) de l'échangeur de chaleur (24) et, d'autre part entre La thermopile (40) et la face de contact (20) de la platine (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (24) est un circuit à circulation de fluide caloporteur comprenant - une platine (26) pour l'évaporation du fluide caloporteur, cette platine étant en matériau bon conducteur de la chaleur et percée d'un canal (32) pour La circulation du fluide, cette platine (26) possédant ladite face de contact (28), - un condenseur (38) pour la condensation du fluide caloporteur, - deux canalisations (34, 36) reliant la platine (26) au condenseur (38), la platine (26) et Le condenseur (38) étant disposés de manière à ce que l'évaporation et la condensation mettent le fluide en circulation dans le circuit. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites canalisations (34, 36) sont souples. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lesdites canalisations (34, 36) sont en acier inoxydable. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'isolation électrique comprennent au moins un joint électriquement isolant mais bon conducteur de la chaleur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'isolation électrique consistent en une anodisation d'au moins une face de contact. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite platine (10) comporte deux éléments (10a, 10b) aptes à être fixés l'un à l'autre, chaque élément (10a, 10b) comportant un évidement (12a, 12b) faisant mâchoire pour la fixation de la platine (10) sur l'organe générateur de chaleur (5) et épousant la géométrie de cet organe (5). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la thermopile (40) est positionnée à l'intérieur du périmètre d'un joint d'étanchéité (46) enserré entre les faces de contact (28, 20) de L'échangeur de chaleur (24) et de la platine (10). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, connecté aux bornes de la thermopile (40), un convertisseur (54) apte à transformer une tension et une intensité de valeurs fluctuantes en une tension et une intensité de valeurs déterminées. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une batterie (58) pour le stockage de l'énergie électrique délivrée par La thermopile (40).