Brevet FR2732819A1 — publié le 19961011

DESCRIPTIF La présente invention a pour objet A titre de produit industriel nouveau, un générateur thermoélectrique. On connaît déjà de tels générateurs qui sont principalement composés de thermocouples connectés en série entre eux, l'une des soudures de chaque thermocouple étant soumise d une source de chaleur, l'autre soudure étant radiante et constitue un puits de chaleur. Un montage classique consiste d placer le thermocouple entre deux plaques métalliques dont l'une est réchaui- fée par un brilleur quelconque et l'autre refroidie par une aération ou par le simple fait que ladite plaque est radiante. La face des plaques qui est en contact avec les thermocouples est revêtue par un diélectrique pour éviter le court-circuit entre lesdits thermocouples. Enfin, lesdites plaques sont resserrées entre elles par des tringles et prennent ainsi les thermocouples en sandwich. Dans ce montage, le flux de chaleur se dissipe de l'une des faces ou des extrémités vers l'autre face ou extrémité de ce thermocouple. Conventionnellement, on appelle thermocouple l'a6sembla- ge ou la jonction de deux matériaux différents ayant un pouvoir thermoélectrique l'un par rapport à l'autre lorsque l'on soumet la jonction & une température différente de celle reignant å un endroit différent de ladite jonction, chacun des matériaux qui compose ce thermocouple, c'est- & dire chacune des branches, est appelé thermoélément. On connait encore un autre montage qui fait appel à des thermoéléments constitués par des galettes, généralement en semiconducteurs, ces galettes sont placées å l'enfilade les unes derrière les autres, dopées alternativement en P, N, P, N, P et ainsi de suite. Entre chaque galette est disposé une plaquette métallique , cette plaquette est chaude une fois sur deux et par conséquent froide une fois sur deux. Dans ce montage, le flux de chaleur se dissipe de 1'une des faces desdits thermoéléments vers l'autre face des mêmes thermoéléments. Le montage des thermogénérateurs actuellement connus présente un inconvénient, du fait de ne pouvoir localiser cent pour cent de la chaleur dégagée de la source chaude sur les faces adéquates des thermoéléments. Un autre inconvénient de ces thermogénérateurs réside dans la difficulté de fixer et de maintenir les thermoéléments, du iait des contraintes liées à la dilatation des matériaux et A la fragilité des thermoéléments. La présente invention vise A remédier à ces inconvénients et se rapporte à un générateur thermoélectrique constitué par des thermoéléments dont la chaleur se dissipe du centre vers la périférie et non de l'une vers une autre des faces dudit thermoélément, comme dans les montages actuellement connus. La présente invention sera bien comprise en se référant à la description ci-dessous, ainsi qu'aux dessins annexés dont - La Fig. 1 représente un thermoélément conventionnel en forme de galette. - La Fig. 2 représente une coupe de la Fig. 1. - La Fig. 3 représente un thermoélément selon la présente invention. - La Fig. 4 représente une coupe de la Fig. 3. - La Fig. 5 représente un thermoélément selon la présente invention, comportant un dégagement central. - La Fig. 6 est une coupe de la Fig. 5. - La Fig. 7 est un thermoélément selon la présente invention, comportant des parties saillantes destinées la la jonction électrique. - La Fig. 8 est une coupe de la Fig. 7. - La Fig. 9 est un montage en série des thermoéléments selon la présente invention, avec des connexions électriques. - La Fig. 10 est une vue de c8té de la Fig. 9. - La Fig. 11 est un montage en série de thermoéléments selon la présente invention, avec une jonction électrique assurée par les thermoéléments qui se touchent. - La Fig. 12 est une vue de côté de la Fig. 11. - La Fig. 13 représente un générateur thermoélectrique selon la présente invention. - La Fig. 14 représente un assemblage de thermoéléments selon la présente invention, dont les connexions électriques sont assurées par des bagues. - La Fig. 15 représente la coupe d'un thermoélément selon la présente invention, en forme de galette cylindrique se réduisant en épaisseur vers le périmètre extérieur. - La Fig. 16 représente un thermoélément selon la présente invention, divisé en plusieurs quartiers. Pour mémoire, est représenté en (1) un thermoélément conventionnel en forme de galette tel qu'on utilise ac uellement. Ce thermoélément comporte un trou (2) au centre, destiné à l'assemblage. Une source de chaleur est appliquée sur l'une de ses facee (3), tandis que l'autre face (4) est radiante et constitue un puits de chaleur. La dissipation de la chaleur s' effectue de la face chaude vers la face froide, selon le sens indiqué par la flèche (5). Une borne électrique (6) est placée sur chacune desdites faces et collecte le courant électrique qu'elle fournit au circuit (7) utilisé par une charge (8). La présente invention concerne un thermoélément constitué par une galette dont on soumet le centre (9) à une source chaude et le périmètre (10) à une source froide. La dissipation de la chaleur se fait dans ce cas-là du centre de la galette vers sa périphérie, dans le sens indiqué par la flèche (11). Il existe ainsi dans ce thermoélément deux zones de température différentes, l'une chaude située sensiblement vers le centre, l'autre froide située sensiblement vers la périphérie dudit thermoélément. les deux dites zones de températures sont sensiblement concentriques et,/ou sensiblement coaxiales. En (12) et (15j sont représentées deux bornes électriques et en (15) et (16) un circuit électrique qui canalise le courant produit par le thermoélément vers une charge (16). La borne (12) est située sensiblement sur le périmètre dudit thermoélément et la borne (13) est située sensiblement au centre dudit thermoélément. Une variante du présent thermoélément selon la présente invention comporte un trou central (17) destiné à recevoir une source de chaleur. Cette source de chaleur est appliquée sur le champs (ils) dudit trou et se dissipe sur le périmètre extérieur (19) dudit thermoélément selon le sens indiqué par la flèche (20). Une autre variante du thermoélément selon la présente invention comporte des parties saillantes dont l'une (21) est localisée sensiblement vers le centre et l'autre (22) est localisée sensiblement vers le périmètre dudit thermoélément. Ces deux parties saillantes sont destinées à assurer un contact physique et/ou électrique entre deux thermoéléments. Dans cette variante, la dissipation de la chaleur s'effectue également du centre vers le périmètre dudit thermoélément selon la direction de la flèche (23). Deux bornes électriques (24) et (25) sont placées chacune sur l'une desdites parties saillantes. Ces bornes collectent le courant électrique produit par le thermoélément et alimentent un circuit électrique. Une variante de la présente invention consiste à relier en série une pile de thermoéléments par des conducteurs électriques (26) et (27). Le premier et le dernier thermoélément comportent ane borne (28) et (29) qui collecte le courant destiné à être utilisé dans un circuit électrique. Les thermoéléments sont constitués de matériaux différents comme le fer et le constantan ou des semiconducteurs dopés respectivement et alternativement en P ou en N. Selon une autre variante de la présente invention, lesdits thermoéléments peuvent être assemblés & l'enfilade et maintenus ensemble par au moins un tiran prenant appui sur deux flasques diélectriques (31) disposées chacune & une extrémité de la pile que forment les thermoéléments ainsi assemblés. Dans une telle version de la présente invention, les thermoéléments se touchent d'une part au centre (72) et (33) et d'autre part, sur la périphérie (34) et (35), les parties touchantes étant constituées par les parties saillantes (21) et (22). Chacun des thermoéléments comporte l'une des parties saillantes sur l'une de ses faces et l'autre partie saillante sur l'autre de ses faces. La source de chaleur est fournie par un courant d'air chaud qui traverse le centre des thermoéléments de part et d'autre de la file que ces derniers forment. Ce courant d'air chaud pénètre dans la pile par des orifices (38) pratiqués dans la flasque (31) selon le sens indiqué par la flèche (39) et ressort de la pile du côté opposé de manière identique dans le sens indiqué par la flèche (40). Une autre variante de la présente invention consiste A intégrer une source de chaleur dans le présent générateur thermoélectrique, ainsi en (41) est représenté un manchon tubulaire en céramique dans lequel circulent les gaz d'échappement d'une chambre de combustion (42). Cette chambre de combustion reçoit du carburant par une tuyauterie (43) et du comburant par une tubulure (44). Dans l'une des versions possibles, le comburant est de l'air. Sur le périmètre extérieur desdits thermoéléments est disposé un manchon diélectrique (45) et coaxia- lement à ce manchon est disposé un deuxième manchon (46). Entre les deux manchons (45) et (46), soit dans l'espace (47) circule de l'air destiné a alimenter ladite chambre de combustion. L'air prélève ainsi des calories qui se dissipent sur ledit périmètre extérieur desdits thermoéléments. En (48) est représenté l'évacuation de l'air exédentaire servant au refroidissement de la périphérie des thermoéléments, 'ses gae d'échappement sortent de la pile thermoélectrique selon le sens indiqué par la flèche (49). Les thermoéléments sont séparés d'autre part par des isolants thermiques et électriques (55) et (56). Une autre version de la présente invention consiste à un assemblage de thermoéléments en série dont le contact électrique entre les thermoéléments est réalisé par des entretoises. Ainsi, en (50), (51) et (52) sont représentés des thermoéléments selon la présente invention. En (53) et (54) sont représentées deux entretoises selon la présente version. Une entretoise sur deux (53) est située sensiblement à la périphérie des deux thermoéléments qu'elle relie. Alternativement, une entretoise sur deux est située vers le centre (54) entre deux thermoéléments qu'elle relie. Entre les thermoéléments sont disposés des isolants électriques et thermiques (55). Il peut y avoir plusieurs entretoises (57) et (58) entre chaque thermoélément. Ces entretoises peuvent être de nature identique de celle d'un thermoélément ou de nature différente ou de toute nature connue en soi. Ces entretoises peuvent aussi être réalisées en tout matériau nouveau. Ces entretoises peuvent avoir des géométries différentes de celles représentées, ainsi elles peuvent être des bagues, des anneaux, des torres, des pastilles, des plots, des rondelles. Ces entretoises peuvent être rigides ou élastiques ou flexibles ou gonflables ou imprégnées ou fibreuses ou être de toute configuration géométrique. En variante, le présent thermoélément est constitué de plusieurs matériaux différents. Ces matériaux différents ont la configuration de galettes et de couronnes placées les unes sur les autres. On choisit ainsi les matériaux en fonction de leur rendement thermoélectrique aux températures considérées à chaque emplacement où ils sont placés. ainsi, le matériau situé le plus au centre est réalise en fer-germanium (59) puis le matériau (60) suivant est réalisé en fer-silicium et enfin, le matériau situé & la périphérie est réalisé en tellurure de bismuth. (61). Une autre variante de la présente invention consiste à donner un profil spécial au-dit thermoélément,, ainsi, l'épaisseur au centre (62) du thermoélément est plus forte que celle A la périphérie (63). En variante de la présente invention, on soude les thermoéléments (36) et (37) entre eux. Une autre variante de la présente invention consiste à appliquer un courant électrique aux bornes du présent générateur thermoélectrique, dans ce cas, ledit générateur thermoélectrique se transforme en un réfrigérateur thermoélectrique d'une part et en un réchauffeur d'autre part, le froid obtenu est situé au centre dudit thermoélément et le chaud sur sa périphérie ou 1 inverse, selon la polarité du courant continu qui est appliqué aux bornes. La présente thermopile est donc réversible. Une autre variante de la présente invention consiste à réaliser ledit thermoélément par l'assemblage de plusieurs quartiers représentant chacun une fraction (64) et (65) dudit thermoélément, Un tel thermoélément peut être réalisé par des fractions ayant chacune des zones de matériaux différents. La présente invention n'est pas limitée i la description ci-dessus qui constitue simplement un exemple de son application, ainsi on peut y apporter de très nombreuses modifications sans pour autant sortir de son champs d'application, ainsi - ledit thermoélément peut avoir d'autres formes que celles représentées, ainsi le trou intérieur peut être carré ou exagonal ou avoir toute autre forme. - le périmètre 5 extérieur dudit thermoélément peut être carré ou exagonal ou avoir toute autre géométrie. - l'épaisseur dudit thermoélément peut être différente de celle représentée, ainsi elle peut être plus forte ou moins forte ou variée, telle que plus forte au centre, réduite avant la périphérie, puis à nouveau plus épaisse sur la périphérie, - ledit thermoélément peut être recouvert d'une céramique ou de tout autre matériau - Les parties saillantes dudit thermoélément peuvent avoir des configurations différentes de celles représentées. - Ledit thermoélément peut être composé d'une multitude de matériaux, chacun de ces matériaux ayant des caractéristiques identiques ou différentes, ou des formes différentes, être disposé concentriquement ou asymétriquement , parallèlement ou perpendiculairement. - ledit thermoélément peut être constitué par de la tôle d'acier, par des feuilles de cuivre, de constantan, de platine ou de tous autre6-~~metaus ou -alliages métallique ou de semiconducteurs ou de tout autre matériau. - L'assemblage en série de plusieurs thermoéléments peut être maintenu autrement que par un t;ran, ainsi, les thermoéléments peuvent être maintenus par des vis, des rivets, des collages, des soudures, des ciments ou un carter. - La source de chaleur peut être de nature différente que celle représentée, ainsi elle peut être constituée par une circulation d'eau chaude ou d'air chaud ou tout fluide ou flux caloporteur ou tout matériau chaud ou chauffé introduit dans le centre ou disposé sur la périphérie desdits thermoéléments. Il peut s' agir d'une combustion de charbon, de gaz, d'hydrocarbure, de bois ou de tout moyen produisant de la chaleur. - La source chaude et froide peuvent être inversées, soit la source chaude se trouvant sur le périmètre extérieur dudit thermoélément et la source froide en son centre. - ledit thermoélément peut être réalisé par tout moyen, il peut être obtenu ainsi par fusion de plusieurs matériaux, par frittage, par croissance, par épitaxie, par suspension. - Ledit thermoélément peut être divisé en plusieurs quartiers soudés ou jonctionnés entre eux, ou séparés entre eux. REVENDICATIONS 1) Thermoélément disposé ou non à l'enfilade ou à c8té d'autres thermoéléments reliés entre eux par un contact électrique, le ou lesdits thermoéléments sont soumis A une source chaude d'une part et à une source froide d'autre part, comportant deux zones de température dont l'une est chaude et l'autre froide et deux bornes ou contacts électriques dont l'un est disposé dans la zone chaude et l'autre dans la zone froide, lesdites bornes collectent l'électricité générée par ledit thermoélément par l'effet Seebeck, caractérisé - en ce que l'une desdites zones de température est située sensiblement vers le centre dudit thermoélément (9) et (17), - et en ce que l'autre desdites zones de température est située sensiblement vers la périphérie dudit thermoélément (10) et (19), - et en ce que ladite zone située sensiblement vers ledit centre dudit thermoélément est soumise à une source chaude, - et en oe que ladite zone située sensiblement i la périphérie dudit thermoélément est soumise à une source froide, - et en ce que la dissipation de la chaleur s'effectue du centre vers (20) la périphérie dudit thermoélément, - et en ce que ledit thermoélément est thermiquement réversible, de manière à pouvoir soumettre ladite zone située sensiblement audit centre à une source froide et ladite zone située sensiblement & ladite périphérie, à une source chaude, ladite dissipation de chaleur s'effectuant dans ce cas de ladite périphérie vers ledit centre. 2) Thermoélément selon la revendication 1) caractérisé en ce que les deux dites zones de température sont de configuration coaxiale, - et en ce que les deux dites zones de température sont de configuration coaxiale. 3) Thermoélément selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que au moins un contact électrique (13) est réalisé sensiblement au centre dudit élément thermoélément et en ce que au moins un contact électrique est réalisé sensiblement i la périphérie dudit thermoélément, - et en ce que au moins un desdits contacts électriques est réalisé avec au moins un autre contact électrique disposé sur un autre thermoélément, - et en ce que ledit contact électrique est réalisé par deux thermoéléments (32) et (33) qui se touchent, - et en ce que ledit thermoélément comporte au moins une parte saillante, - et en ce que ledit thermoélément touche un autre thermoélément par au moine 1'une de ses parties saillantes (32), - et en ce que ledit thermoélément touche au moins deux autres thermoélémente, - et en ce que lesdits thermoéléments se touchent sensiblement à leur centre (32) et (33), - et en ce que lesdits thermoéléments ee touchent sensiblement à leur périphérie (94) et (35), - et en oe que une série de thermoélémenta placée les une derrière les autres à l'enfilade se touchent les uns les autres, chacun touchant ses deux voisins par sa Tartie sensiblement oentrale (17) sur l'une de ses faces et par sa psrtie sensiblement périphérique (19) sur l'autre de ses faces, - et en ce que l'une des dites parties saillantes (21) est disposée sensiblement vers le centre de l'une des faces dudit thermoélément et l'autre des dites parties saillantes (22) est disposée vers le périphérie de l'autre face dudit thermoélément. 4) Thermoélément selon l'une des revendications ci-deesus caractOrisO en ce que au moins une entretoise (54) est disposée sur l'une de ses faces, - et en ce que ladite entretoise a la forme d'une bague, 5) Thermoélément selon l'une des revendications ci-dessue caractérisé en ce que ledit thermoélément est composé de matériaux différents et en ce que iesdits matériaux différents sont agencés de manière concentrique (59), (60), (61). 6) Thermoélément selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce qu'il est composé d'au moins deux quartiers différents (64) et (65), - et en ce que plusieurs quartiers sont assemblés pour former ledit thermoélérent. 7) Thermoélément selon l'une des revendications ci-dessug caractérisé en ce que le trou central (17) aménagé dans ledit thermoélément constitue l'enceinte d'une chambre de combustion, - et en ce que ledit trou central est chemisé par un manchon tubulaire (41), - et en ce que ledit manchon tubulaire est réalisé en céramique. 8) Thermeélément selon l'une dee revendications ci-dessus caractérisé en ce que ledit thermoélément est réversible et produit du chaud en son centre et du froid sur sa périphérie ou l'inverse si on lui applique un courant électrique aux bornes (12) et (15), la localisation du chaud ou du froid dépend de la polarité du courant appliqué aux dites bornes.