Brevet FR2732162A1 — publié le 19960927

CONVERTISSEUR TEERMO-ELECTRIO7E La présente invention concerne un convertisseur thermoélectrique ainsi que ses applications à l'alimentation électrique d'un appareil tel qu'un récepteur radio ou analogue. On a déjà proposé d'associer un convertisseur thermoélectrique constitué par une pluralité de thermocouples montés en série à une source de chaleur telle qu'un foyer de combustion ou la flamme d'une lampe à pétrole ou analogue, pour produire par effet SEEBECK une énergie électrique à partir de la différence de température entre les jonctions froides et les jonctions chaudes des thermocouples. Cependant, dans les convertisseurs de ce type, la distance entre les jonctions chaudes et les jonctions froides des thermocouples est relativement faible, et il s'établit assez rapidement un équilibre thermique dans le convertisseur quand les jonctions chaudes des thermocouples sont au voisinage d'une source de chaleur importante telle qu'une flamme, de sorte que la production d'énergie électrique par le convertisseur diminue progressivement et tend vers zéro. L'invention a pour but d'apporter une solution simple, fiable et peu couteuse à ce problème. Elle propose à cet effet un convertisseur thermoélectrique comprenant une pluralité de thermocouples connectés en série, caractérisé en que les thermocouples sont constitués de conducteurs électriques sensiblement en L raccordés tête bêche et réalisés dans deux matières différentes, pour former une bande allongée dans laquelle des conducteurs longitudinaux sont reliés à leurs extrémités par des conducteurs transversaux en formant sensiblement des U. Cette structure de convertisseur selon l'invention permet d'augmenter la distance transversale entre les jonctions froides et les jonctions chaudes des thermocouples pour un même encombrement du convertisseur, et permet également de diminuer le pas longitudinal entre les conducteurs des thermocouples, et donc de réduire l'encombrement du convertisseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité du convertisseur comprenant les jonctions froides est reliée à des moyens d'évacuation de la chaleur, comprenant par exemple un capot thermiquement conducteur appliqué sur l'extrémité du convertisseur comprenant les jonctions froides et relié à un radiateur extérieur, par exemple au moyen d'un tube thermiquement conducteur. Cette réalisation permet de maintenir dans le temps une différence de température relativement élevée entre les jonctions chaudes et les jonctions froides des thermocouples, même lorsque les jonctions chaudes sont au voisinage immédiat d'une source de chaleur telle qu'une flamme. Dans une application particulièrement intéressante de l'invention, ce convertisseur est destiné à être utilisé avec une source de chaleur telle qu un foyer de combustion ou la flamme d'une lampe à pétrole ou analogue, pour l'alimentation électrique d'un poste radio du type portable ou analogue. Avantageusement, le convertisseur peut être intégré au châssis d'un appareil de combustion, telle qu'une lampe à pétrole ou analogue. Ces applications sont particulièrement avantageuses dans les pays chauds et/ou humides où les piles électriques se déchargent rapidement et où il est parfois difficile de se procurer des piles de rechange. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique partielle d'une structure de thermocouple selon la technique antérieure la figure 2 est une vue schématique partielle d'une structure de thermocouple selon l'invention ; la figure 3 représente schématiquement un ensemble de thermocouples connectés selon l'invention la figure 4 représente schématiquement une feuille de matière thermiquement et électriquement isolante destinée à être associée à l'ensemble de thermocouples de la figure 3 la figure 5 est une vue schématique en coupe partielle d'une lampe à pétrole comprenant un convertisseur selon l'invention ;; la figure 6 est une vue schématique en coupe du convertisseur utilisé dans la lampe de la figure 5 la figure 7 est une vue schématique de dessus du radiateur du convertisseur de la figure 6 la figure 8 est une vue schématique en coupe partielle d'une lampe à pétrole selon une variante de réalisation de l'invention la figure 9 est une vue schématique partielle de dessus de cette lampe. On se réfère d'abord à la figure 1, où l'on a représenté schématiquement une vue très agrandie d'un thermocouple d'un type connu, constitué de conducteurs électriques 10 connectés en zigzag à leurs extrémités, deux conducteurs successifs étant dans des matières différentes, leurs liaisons à leurs extrémités constituant les jonctions chaude 12 et froide 14, respectivement, du thermocouple. Les jonctions 12 et 14 sont approximativement de forme triangulaire, tronconique ou cylindrique selon les réalisations, et s'étendent sur une certaine hauteur à partir des extrémités des conducteurs 10. C'est en fait la distance D qui sépare les points les plus proches de deux jonctions 12, 14 successives qu'il faut prendre en compte pour déterminer l'écartement entre jonctions chaudes et froides. On comprend que, plus cette distance D est faible, plus il est difficile de maintenir une différence de température notable entre les jonctions chaudes et les jonctions froides des thermocouples lorsque les jonctions chaudes sont exposées à une source de chaleur importante. En outre, plus on resserre les conducteurs 10, et plus on augmente les hauteurs des différentes jonctions 12, 14. En d'autres termes, on diminue la distance D entre les jonctions froides et les jonctions chaudes lorsqu'on diminue le pas entre les thermocouples. L'invention apporte une solution simple et efficace à ces problèmes en utilisant, comme représenté en figure 2, des conducteurs électriques 16 sensiblement en forme de L pour constituer les thermocouples. Les conducteurs 16 sont placés tête bêche et reliés à leurs extrémités, deux conducteurs successifs étant réalisés en des matières différentes. Les grands côtés des conducteurs 16 sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction longitudinale de la bande constituée par leur assemblage, comme on le voit mieux en figure 3, les jonctions chaudes 18 et froides 20 des thermocouples ont une hauteur (en direction transversale) très nettement inférieure à celles des jonctions 12, 14 d'une réalisation classique, et la distance transversale D' entre les jonctions 18, 20 est nettement supérieure à la distance D précitée. En outre, on peut diminuer le pas entre les thermocouples et donc rapprocher les uns des autres les grands côtés des conducteurs 16, sans diminuer la distance D' entre deux jonctions successives. Corollairement, on peut également utiliser pour les conducteurs 16 un fil de plus gros diamètre (ayant donc une résistance électrique plus faible) sans modifier le pas entre les thermocouples et sans diminuer sensiblement la distance D' entre deux jonctions successives. Un ensemble de thermocouples selon l'invention est représenté schématiquement en figure 3, cet ensemble constituant une bande allongée 22 qui peut avoir par exemple une largeur de l'ordre de 50 mm et comprendre 300 thermocouples environ connectés en série, le pas entre les thermocouples étant de l'ordre du millimètre. Cette bande 22 de thermocouples connectés en série peut être placée sur une bande ou couche mince 24, en une matière thermiquement et électriquement isolante, telle qu'une céramique ou analogue, ayant des dimensions semblables à celles de la bande 22 de thermocouples, après quoi l'ensemble 22-24 peut être roulé sur lui-même pour constituer un cylindre ou replié en zigzag sur luimême pour constituer un bloc de forme sensiblement parallélépipédique. Les jonctions chaudes 18 des thermocouples de cet ensemble peuvent ensuite être revêtues d'une fine épaisseur d'une matière thermiquement et électriquement isolante, telle qu'une céramique, qui permet d'isoler électriquement les jonctions chaudes 18 les unes des autres, de les protéger mécaniquement et de les intégrer dans une plaque mince formant répartiteur de chaleur. Quand les jonctions chaudes sont exposées à une flamme, cette couche ou plaque mince permet aussi d'éviter un dépôt de suie ou de carbone sur les jonctions chaudes, qui les mettrait en court-circuit. L'ensemble précité peut ensuite être recouvert par pulvérisation, trempage, etc, d'une matière thermiquement et électriquement isolante qui assure la tenue mécanique de l'ensemble et le protège. Les jonctions froides des thermocouples sont quant à elles associées à des moyens d'évacuation de chaleur permettant de les maintenir à une température notablement inférieure à celle des jonctions chaudes. En figure 5, la référence 30 désigne un convertisseur thermoélectrique selon l'invention, qui est constitué d'un ensemble 22-24 précité réalisé comme indiqué ci-dessus, qui est par exemple de forme cylindrique avec les jonctions chaudes 18 des thermocouples sur sa face inférieure 32 et les jonctions froides sur sa face supérieure 34. La face supérieure 34 du convertisseur est recouverte d'un capot 36 réalisé en une matière thermiquement conductrice, par exemple en cuivre, qui est fixé par encliquetage ou sertissage sur l'extrémité supérieure du convertisseur 30 et qui est relié à un radiateur 38 par exemple du type à ailettes, au moyen d'un conducteur de chaleur 40 constitué par exemple par un tube en cuivre. L'ensemble formé par le convertisseur 30, le radiateur 38 et le tube 40 est placé dans une lampe à pétrole 42 d'un type classique, de telle sorte que le convertisseur 30 se trouve à une certaine distance audessus de la mèche 44 de la lampe et que le radiateur 38 se trouve à l'extérieur de cette lampe, entre les poignées latérales 46 de celle-ci et l'anneau supérieur 48 qui permet d'accrocher la lampe à un support. En fonctionnement, la flamme de la lampe à pétrole vient chauffer l'extrémité inférieure 32 du convertisseur à une température de l'ordre de 500 degrés C. Les moyens d'évacuation de chaleur associés aux jonctions froides de la face supérieure 34 du convertisseur 30 permettent de maintenir ces jonctions froides à une température de l'ordre de 80 degrés C. Dans ces conditions, un convertisseur comprenant environ 300 thermocouples permet de générer une tension électrique d'environ 6 volts en régime permanent, ce qui suffit largement pour alimenter un récepteur radio du type à transistors. En pratique, un convertisseur selon l'invention, tel que celui qui vient d'être décrit permet d'alimenter des récepteurs radio ayant une tension nominale d'alimentation d'une valeur quelconque comprise entre 3 et 9 volts. Dans une variante de réalisation de l'invention, représentée schématiquement aux figures 8 et 9, la lampe à pétrole 42 comprend un radiateur 50 intégré à la partie supérieure de son châssis et comprenant un orifice central 52 par lequel on peut monter et fixer le tube 40 d'évacuation de chaleur d'un convertisseur 30 selon l'invention. Bien entendu, la fixation de l'extrémité supérieure du tube 40 sur le radiateur 50 peut se faire par tous moyens appropriés, par exemple par encliquetage, par vissage, etc. Le convertisseur selon l'invention peut également être utilisé avec d'autres sources de chaleur qu'une lampe à pétrole, par exemple lorsque son extrémité comportant les jonctions chaudes des thermocouples est placée au contact ou au voisinage immédiat d'un objet à température élevé, tandis que son extrémité portant les jonctions froides est maintenue à une température notablement inférieure grâce aux moyens précités d'évacuation de chaleur. Les applications pratiques du convertisseur selon l'invention sont donc extrêmement nombreuses et variées. REVENDICATIONS 1. Convertisseur thermoélectrique comprenant une pluralité de thermocouples connectés en série, caractérisé en ce que les thermocouples sont constitués de conducteurs électriques sensiblement en L raccordés tête bêche et réalisés dans deux matières différentes, pour former une bande allongée (22) dans laquelle des conducteurs longitudinaux sont reliés à leurs extrémités par des conducteurs transversaux en formant sensiblement des U. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bande allongée (22) est recouverte d'une bande ou d'une couche mince (24) de matière thermiquement et électriquement isolante et est enroulée ou repliée sur elle-même pour former un bloc cylindrique ou parallélépipédique. 3. Convertisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les jonctions chaudes (18) des thermocouples sont noyées dans une faible épaisseur de matière thermiquement et électriquement isolante. 4. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité (34) du convertisseur comprenant les jonctions froides est reliée à des moyens (36,38,40) d'évacuation de chaleur. 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'évacuation de chaleur comprennent un capot (36) thermiquement conducteur appliqué sur l'extrémité du convertisseur (30) comprenant les jonctions froides et relié à un radiateur extérieur (38) par exemple au moyen d'un tube (40) thermiquement conducteur. 6. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné à être utilisé avec une source de chaleur telle qu'un foyer de combustion ou la flamme d'une lampe à pétrole (42) ou analogue, pour l'alimentation électrique d'un poste radio du type portable ou analogue. 7. Convertisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est intégré au châssis d'un appareil de combustion tel qu'une lampe à pétrole (42) ou analogue.