Brevet FR2702829A1 — publié le 19940923

La présente invention concerne une installation thermoélectrique dans laquelle des thermo-éléments ou éléments thermo-électriques sont disposés entre des échangeurs de chaleur dans lesquels circule un fluide chaud ou froid. Une telle installation thermo-électrique est généralement utilisée dans la production d'une forte puissance de froid. Plusieurs types d'installations thermo-électriques sont ou ont été proposées. Parmi ces dernières, certaines utilisent de l'air comme fluide caloporteur, par exemple dans les installations de climatisation, d'autres utilisent l'eau comme fluide caloporteur, les thermo-éléments assurant les écarts de température entre fluide chaud et fluide froid. Dans la demande de brevet FR 2 542 855 est décrite une installation thermo-électrique qui est constituée par un empilement de couches ou nappes d'échangeurs de chaleur pour fluides chaud et froid, entre lesquelles sont disposées des thermo-éléments. Les échangeurs sont constitués par des éléments d'échange qui sont disposés suivant des colonnes, les uns au-dessus des autres, une dépression étant ménagée sur un côté de chaque élément d'échange et destinée à recevoir un thermo-élément. La dépression ou logement est en partie de forme sphérique pour s'adapter à la forme sphérique du thermo-élément, de manière à permettre une rotation de ce dernier par rapport à l'axe du conduit de circulation traversant l'élément d'échange. Un inconvénient majeur de ce type d'installation est son encombrement, son poids et la complexité du montage. En effet, les échangeurs sont relativement épais pour permettre le passage des conduites de fluide qui sont connectées, à l'extérieur de l'empilage, au moyen de raccords coudés, ce qui aggrave l'encombrement latéral même si ces raccords sont situés dans le même plan que les échangeurs. De plus, le montage du système peut être long et fastidieux puisqu'il faut impérativement insérer les thermoélément s dans leur logement approprié et ménagé dans l'échangeur correspondant, sensiblement au milieu de ce dernier. Dans le brevet US-A-3 205 667 est décrite une installation thermo-électrique, comportant trois échangeurs montés en série et des pastilles de thermo-éléments soudées directement sur les plaques contenant chaque échangeur. Cette installation présente des inconvénients majeurs; en effet, le fluide circule dans des canaux de section circulaire, d'où une faible surface d'échange thermique. D'autre part, les connexions électriques entre les pastilles -en cuivre- de thermo-éléments sont réalisées sur l'enceinte même à l'intérieur de laquelle s'effectuent les échanges thermiques. Cette dépendance entre contacts thermiques et contacts électriques, ces derniers étant réalisés au dernier moment, induit un montage et un démontage malaisés, ainsi qu'un empilage limité d'échangeurs. Outre cela, cette installation présente une efficacité réduite, compte-tenu de l'espacement relativement important qui existe entre les différentes pastilles:le ratio surface de la couche de thermo-éléments sur surface d'échange thermique est seulement compris entre 30 et 40 t. Un autre inconvénient de l'installation décrite dans ce brevet est l'absence d'isolement électrique entre le fluide utilisé et les pastilles de thermo-éléments; en effet, les conduits cylindriques dans lesquels circule le fluide sont également en cuivre, matériau conducteur à deux points de vue: thermique et électrique, d'où des phénomènes possibles d'électrolyses ou de court-circuits. Enfin, les trois échangeurs utilisés sont relativement épais, leur épaisseur avoisinant les 20 mm; et compte-tenu de la rigidité des plaques à l'intérieur desquelles s'effectue l'échange thermique, l'efficacité du transfert global de chaleur s'en trouve affectée. Dans le brevet EP-A-0 018 823 est décrit un échangeur constitué d'un empilement de plaques souples thermo-plastiques. Si le fluide circule ici dans des canaux plats par l'intermédiaire de chicanes, l'échange thermique s'effectue sans l'utilisation de thermo-éléments. Par conséquent, l'écart de température entre fluide chaud et fluide froid n'est pas amélioré pour autant. - La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de proposer une installation thermo électrique qui soit compacte, facile à monter et qui présente des performances élevées dans un volume réduit. La présente invention a pour objet une installation thermo-électrique de type comprenant, sous forme d'un empilement, des échangeurs de chaleur dans lesquels circule un fluide et des thermo-éléments disposés entre ces échangeurs de chaleur, chaque échangeur étant ménagé dans une enceinte relativement peu épaisse et les thermo-éléments étant disposés suivant des couches minces, caractérisée en ce que, les connexions électriques entre les thermo-éléments étant réalisées indépendamment des contacts thermiques entre les échangeurs et le fluide circulant dans chaque échangeur étant électriquement isolé de la couche de thermo-éléments, le ratio surface de la couche de thermo-éléments sur surface d'échange thermique est voisin de 7000. Un avantage de la présente invention réside dans le fait qu'elle est fiable quel que soit le milieu ambiant dans lequel elle est installée. Par ailleurs, en raison du caractère modulaire qu'elle présente, les performances sont quasi proportionnelles à la hauteur, c'est-à-dire en fait au nombre de nappes d'échangeurs et de thermo-éléments qui est utilisé dans l'installation. Un autre avantage important de la présente invention est son efficacité accrue en raison de la "surface active" des thermo-éléments, laquelle surface étant sensiblement égale à celle des conduites de circulation de fluide. En effet, le ratio surface de la couche de thermo-éléments sur surface d'échange thermique avoisine les 70%. Un autre avantage de la présente invention est que, le fluide circulant dans chaque échangeur étant électriquement isolé de la couche de thermo-éléments, on evite toute réaction d'électrolyse. Un autre avantage de l'invention est que, les liaisons électriques entre les différentes pastilles de thermo-éléments étant effectuées avant montage, cela leur donne une excellente qualité, favorise l'isolement électrique et l'empilement en nombre quasiment illimité d'échangeurs. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description d'un mode préféré de réalisation de ltinvention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur suivant un mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur de la figure 1 et d'une nappe de thermo-éléments suivant un mode préféré de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective d'un sous-module thermo-électrique constitué après assemblage des éléments représentés sur la figure 2; - figure 4 est une vue en perspective éclatée de plusieurs sous-modules superposés avec une plaque d'extrémité; - la figure 5 est une vue en perspective d'un module thermo-électrique selon l'invention. - la figure 6 est une vue de face d'une armoire comportant deux modules thermo-électriques. L'installation thermo-électrique selon la présente invention est réalisée à partir de modules thermo-électriques qui sont décrits ci-après et qui sont constitués par un empilage d'échangeurs de chaleur et de couches de thermoéléments. Suivant un mode préféré de réalisation selon l'invention, chaque échangeur de chaleur 1 est constitué par une plaque de fond mince usinée 2 et d'une plaque mince de fermeture 3, ces plaques de fond 2 et de fermeture 3 délimitant une enceinte de faible volume dans laquelle circule un fluide. Le circuit de circulation 4 de fluide est déterminé par des chicanes 9 qui sont usinées dans la plaque de fond 2, de manière à réaliser un circuit sinueux dans la plaque de fond 2. Chaque plaque de fond 2 et de fermeture 3 comporte sur au moins un de leurs côtés deux oreilles respectivement 5, Sa et 6, 6a dans chacune desquelles est ménagé un orifice 7, 7a et 8, 8a. Les orifices alignés 7 et 8 sont utilisés comme entrée de fluide froid, par exemple et les orifices 7a comme sortie du fluide froid après que ce dernier ait circulé entre les chicanes 9 (figurel). Sur la figure 2 est représentée en plus de l'échangeur de chaleur 1 de la figure 1 une couche de thermo-éléments plats 10 disposés suivant une nappe 11 d'épaisseur égale à celle des thermo-éléments 10 utilisés. La nappe 11 de thermo-éléments 10 est disposée sur la plaque de fermeture 3, les connexions électriques entre les thermo-éléments n'étant pas représentées car elles sont bien connues dans le domaine technique considéré. La pression interne du circuit 4 de fluide, qui est d'au moins 30 bars, est utilisée pour améliorer le contact thermique entre les plaques 2,3 et les thermo-éléments 10, par la déformation occasionnée sur les parois, qui sont très minces et souples; en effet, leur épaisseur avoisine seulement 10 mm (le ratio épaisseur d'un échangeur sur sa longueur est proche de 2W). Et compte-tenu du caractère plat des canaux utilisés, c'est-à-dire des chicanes 9, l'échange thermique s'en trouve amélioré. Pour réaliser l'isolement électrique du fluide vis-à-vis de la nappe 11 de thermo-éléments 10, on peut utiliser à titre indicatif un matériau dont la marque commerciale est "téflon", déposé sur la plaque de fermeture 3. La figure 3 représente un échangeur de chaleur 1 et une nappe 11 de thermo-éléments 10. La surface de la nappe 11 est sensiblement égale à la surface du circuit de circulation du fluide dans l'échangeur de chaleur 1, si l'on considère que les surfaces des chicanes 9 sont négligeables. En effet, la surface active de la nappe 11 de thermo-éléments 10 occupe environ 70t de la surface du circuit de circulation du fluide dans l'échangeur 1. Lorsqu'un échangeur de chaleur 1 et une nappe de thermoéléments 10 sont empilés les uns sur les autres, cela constitue un sous-module thermo-électrique 12, comme cela est représenté sur la figure 3 avec une entrée de fluide 7, 8 et une sortie de fluide 7a, 8a. Pour constituer un module thermo-électrique 13 tel que celui représenté sur la figure 5 et partiellement représenté sur la figure 4, on empile les sous-modules 12 les uns sur les autres mais de façon alternée, c'est-à-dire qu'à un sous-module du circuit de fluide froid 12a comprenant les oreilles à gauche sur le dessin correspond un sous-module 12b du circuit de fluide chaud, présentant des oreilles à droite sur le dessin. Le module thermo-électrique 13 comprend un nombre approprié de sous-modules 12 en fonction des caractéristiques de fonctionnement souhaitées. Le module thermo-électrique 13 est maintenu serré au moyen de plaques d'extrémité dont seule la plaque d'extrémité supérieure 14 est représentée sur les dessins. Des orifices 15 et 16 sont ménagés respectivement dans la plaque de fermeture 3 et la plaque de fond 2 pour permettre le passage de tirants de maintien et de fixation, ces tirants traversant tout le module thermo-électrique et passant dans des passages ménagés entre les éléments thermo-électriques 10 et à l'extérieur de ces derniers pour ce qui concerne ceux d'entre eux qui passent dans les orifices 16 ménagés à la périphérie de la plaque de fond 3. Un joint d'étanchéité 17 est prévu au moins à la périphérie de chaque plaque de fond 2 de manière à bien isoler le circuit de circulation de fluide qui peut être de l'eau par exemple. Lorsqu'on considère le module thermo-électrique 13 de la figure 5, l'eau froide est introduite en FE par le sommet et alimente en parallèle tous les échangeurs de chaleur réservés à la circulation du fluide froid, et elle est évacuée par l'orifice inférieur de la série d'orifices Fs, située du même côté de l'empilage que la série d'orifices FE. Le fluide chaud tel que de l'eau chaude, est introduit, de prérérence, par l'orifice inférieur de la série d'orifices CE et ressort par 11 orifice inférieur C51 après avoir alimenté en parallèle tous les échangeurs de chaleur réservés à la circulation du fluide chaud. Des entretoises 18 sont prévues sur les oreilles de chaque sous-module, de manière à obtenir un module stable et non déformable au cours du serrage de l'empilage des sousmodules par des tirants de fixation et de maintien. Il est à noter que, les contacts électriques entre les thermo-éléments 10 étant réalisés extérieurement aux échangeurs 1, l'ensemble est parfaitement démontable et réparable. Les modules sont disposés dans une armoire électronique 19 qui comprend les alimentations hydrauliques et les dispositifs de contrôle habituels ainsi que les connexions d'énergie nécessaires (figure 6). Dans un exemple de réalisation, on a utilisé une armoire électronique 19 comprenant deux modules 20 et 21 constitués chacun par 25 nappes de thermo-éléments, 13 échangeurs "chauds" et 12 échangeurs "froids". Une telle installation thermoélectrique est capable de produire 60KW de froid avec les caractéristiques suivantes - température eau froide en sortie: 60C - température eau chaude en entrée: 200C - débit d'eau froide: 25m3/h - débit d'eau chaude: 25m3/h. Le volume occupé par les deux modules 20 et 21 est inférieur à 1 m3 et le ratio épaisseur d'un échangeur (1) sur sa longueur est voisin de 2t (chaque échangeur a une épaisseur voisine de 10 mm). En fonction des performances à atteindre, on peut utiliser plusieurs armoires électroniques de capacité et de production données. Si une armoire électronique présente une production de froid égale à n KW, l'utilisation de m armoires en parallèle produira n.m.KW de froid. Bien évidemment, chaque armoire peut comporter plus de deux modules ou même, on peut prévoir une petite armoire pour chaque module, les armoires étant connectées de telle façon à produire le froid nécessaire. De même, au lieu de réaliser une circulation de fluides chaud et froid à contre-courant, on pourrait tout aussi bien alimenter le ou les modules par la partie supérieure et recueillir les fluides par la partie inférieure. D'autres variantes sont possibles. C'est ainsi qu'au lieu de délimiter l'enceinte d'un échangeur de chaleur par une plaque de fond et une plaque de fermeture, on pourrait envisager d'utiliser une sorte de boîte plate comportant à l'intérieur des chicanes ou tout autre élément de guidage du fluide, puis disposer les thermo-éléments sur le dessus de la boîte. Il est également possible de fixer ou poser les thermoéléments sur une plaque et monter cette dernière sur une plaque de fond avec ses chicanes, de manière à isoler le circuit de circulation de fluide. Chaque échangeur de chaleur 1 peut être constitué par deux plaques disposées en regard et en contact l'une sur l'autre par des surfaces de contact qui sont ménagées entre des demi-canaux réalisés de manière appropriée sur chacune des plaques, de telle sorte que lorsque les plaques sont en contact l'une sur l'autre, les demi-canaux ou demi-circuits constituent le circuit de circulation 4 pour le fluide. L'étanchéité du circuit de circulation est assurée par brasure des surfaces de contact. Selon un autre mode de réalisation de l'échangeur de chaleur 1, on peut utiliser deux plaques entre lesquelles est disposée une grille qui est munie de chicanes aptes à délimiter un circuit de circulation 4 pour le fluide. REVENDICATIONS 1. Installation thermo-électrique, du type comprenant, sous forme d'un empilement, des échangeurs de chaleur (1) dans lesquels circule un fluide et des thermo-éléments (10) disposés entre les échangeurs de chaleur (1), chaque échangeur (1) étant ménagé dans une enceinte relativement peu épaisse et les thermo-éléments (10) étant disposés suivant des couches minces (11), caractérisée en ce que, les connexions électriques entre les thermo-éléments (10) étant réalisées indépendamment des contacts thermiques entre les échangeurs (1) et le fluide circulant dans chaque échangeur (1) étant électriquement isolé de la couche (11) de thermo-éléments (10), le ratio surface de la couche (11) de thermo-éléments (10) sur surface d'échange thermique est voisin de 70%. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque échangeur (1) est constitué par une plaque de fond usinée (2) comprenant des chicanes (9) délimitant un circuit de circulation (4) pour le fluide, et par une plaque mince de fermeture (3). 3. Installation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chaque couche (11) de thermo-éléments (10) est constituée par une nappe de thermo-éléments (10) qui sont disposés les uns près des autres, dans un même plan, et en ce que la nappe de thermo-éléments (10) repose sur la plaque de fermeture (3) de l'échangeur (1) correspondant, de manière à constituer un sous-module thermo-électrique (12). 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche (11) de thermo-éléments (10) est constituée par une plaque mince de support sur laquelle sont disposés les thermo-éléments(10). 5. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que deux sous-modules thermo-électriques (12) consécutifs sont inversés l'un par rapport à l'autre. 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que des passages (15) pour des moyens de fixation sont ménagés entre les thermo-éléments d'une part, et dans les échangeurs de chaleur (1) d'autre part. 7. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que les sous-modules (12) sont empilés et fixés les uns sur les autres de manière à constituer un module thermo-électrique (13) présentant des caractéristiques de fonctionnement données. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le ratio épaisseur d'un échangeur (1) sur sa longueur est voisin de 2%, et en ce que chaque module thermo-électrique (13) présente un volume inférieur à 1 m3. 9. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un joint d'étanchéité (17) est disposé au moins à la périphérie de la plaque de fond usinée. 10. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque échangeur de chaleur (1) est constitué par deux plaques et une grille qui est munie de chicanes aptes à délimiter entre ces plaques un circuit de circulation (4) pour le fluide.