Brevet FR2744794A1 — publié le 19970814

La présente invention concerne un dispositif permettant de chauffer ou refroidir une masse. Traditionnellement, l'élévation de temperature d'une masse se fait par resistance electrique utilisant l'effet Joule. Son refroidissement se fait par contre par détente de gaz a laide dtun compresseur et dun évaporateur Si le chauffage par reaistance est d'une simplicite, il n'en n'est pas de mOine pour le refroidissement. Dans le cas d'un local, son rafraichissement nécessite un appareil supplémentaire appele climatiseur. Quant un véhicule, le rendement du moteur et sa consommation sont pénalises lorsque le compresseur est en service pour la climatisation. Le dispositif, selon l'invention, permet, avec le meme appareil, de réaliser ces deux opérations. D'autre part, la production d'air conditionne d'un vehicule devenant independante du moteur, l'énergie necessaire étant fourni par la batterie, il est intéressant d'installer un deuxième bloc thermoélectrique qui, ne fonctionnant qu'en position froid, permettra d'améliorer le refroidissement du moteur et d'abaisser la temperature de celui-ci pour obtenir de meilleurs performances par la réduction des échauffements mécaniques. Le dispositif se compose d'un bloc thermoélectrique utilisant l'effet Peltier pour produire l'effet recherche. I1 est fait de trois étages montés en série thermique, chaque étage étant constitue de quatre modules groupant plusieurs couples thermoélectriques, leur nombre dépendant de la puissance souhaitée, composes de semi-conducteurs permettant d'utiliser l'effet Peltier avec un maximum d'efficacité. Pour cela, on peut utiliser entre autre des composes du tellure ou du sélénium associés & des métaux lourds tels que le plomb, le bismuth ou l'antimoine. Ces quatre modules formés de plusieurs couples seront montés en parallèle thermique.L'alimentation électrique de ce bloc sera en série pour l'ensemble de ses composants. Associee ce bloc, une pompe permet, travers un serpentin, de transferer par l'intermédiaire d'un liquide, le chaud ou le froid, selon le choix désiré. Pour parfaire le fonctionnement, dans le cas d'un local, un ventilateur soufflera de l'air soit vers le haut quand il s'agira de refroidir, soit vers le bas quand il s'agira de chauffer. Son debit sera proportionnel & la temperature désirée. Dans le cas de l'habitacle d'un véhicule, l'échange se fera & partir de l'air pris & l'extérieur et amené vers l'intérieur. I1 est également possible, en obstruant l'entrée de l'air extérieur, de faire un recyclage interne comme c'est le cas actuellement pour les véhicules équipés de l'air conditionne.Bn ce qui concerne le moteur, la température du liquide frigorigène ajoute dans le circuit de refroidissement classique sera fonction de la température environnante du moteur. Les dessins annexés illustrent l'invention: -La figure 1 représente un module composé, pour l'exemple, de trois couples thermoélectriques dont la construction a été decrite par H.J. Goldsmid dans l'ouvrage intitule Applications of Thermoelectricity, New York, 1960 n. -La figure 2 montre l'assemblage de quatre modules en parallèle thermique et serie électrique qui composeront un étage. -La figure 3 represente une coupe d'un étage -La figure 4 représente le bloc thermoélectrique composé de trois étages montes en série thermique et électrique. -La figure 5 représente le couvercle du bloc qui contient le serpentin servant d'échangeur thermique. -La figure 6 représente le dispositif, selon l'invention, de l'ensemble thermoélectrique associe & un radiateur de chauffage de locaux a liquide et ses composants. -La figure 7 représente le panneau de commande du radiateur vue de face. La figure 8 représente le schema électrique de l'ensemble radiateur de chauffage et bloc thermoélectrique. La figure 9 représente le dispositif, selon l'invention, de ce même ensemble pour la climatisation d'un habitacle d'un véhicule version air extérieur. Le figure 10 represente la version spécifique eu moteur à explosion permettant un meilleur refroidissement selon l'invention. En référence à ces dessins, le dispositif se compose au depart de modules thermoélectriques (fig.l) composés d'éléments semi-conducteurs réalisés, par exemple, à partir de tellurure de bismuth qui seront, selon l'enrichissement, de type N (l) ou P (2). La liaison électrique entre les éléments se fera par soudage sur des plaques d'aluminium (3) et l'isolation par des plaquettes isolantes de Bakélite (4) qui prendront leur position définitive avant l'assemblage des liaisons hautes (5). Les liaisons électriques extérieures se feront a partir des éléments (6) par fil soude sur les éléments de connexion dans les rainures (7) prévues & cet effet. Le raccordement électrique (fig.2) par le c blage (8) de ces quatre modules (9) sera montré par une vue de dessus. Chaque module sera positionne dans un meme plan et isolé électriquement des autres par des plaquettes de Bakélite (10). Les liaisons exterieures (alimentation entre étages) se feront par les conducteurs (li). La coupe suivant AA (fig.3) montre l'assemblage des modules pour former un étage (18). Chaque module sera placé sur une plaque d'aluminium surfacée (12) avec une feuille intercalaire de mica ou quartz (13) pour assurer une isolation électrique et une conductibilite thermique. Le mOine assemblage sera retenu pour la partie supérieure. Cet ensemble sera maintenu par un cadre (14) fait de cornières d'aluminium soudées. Sur ces cornières seront soudees des carrés de renfort (15) permettant le passage d'une vis de fixation (16) ou comportant un filetage (17) qui serviront au serrage de l'ensemble. Les trois étages (18) seront assemblés en série thermique et électrique (fig.4). Chaque étage sera superpose dans une enceinte en aluminium (20) dont les dimensions seront ajustées aux cOtes de ceux-ci. Le fond plat rectifié de cette enceinte permettra un bon contact thermique avec l'extérieur. Cette enceinte sera placée dans un autre recipient (21) qui possédera des orifices destines au passage des cibles de liaisons pour l'alimentation électrique (22). De la mousse polyuréthanne (23) sera injectée entre les deux enveloppes pour assurer une isolation thermique du bloc thermoélectrique avec l'extérieur. Quatre points de fixation (24) soudes sur l'enveloppe externe et tarauds assureront la liaison mécanique avec le couvercle (25). par l'intermédiaire de vis (26). Le couvercle (25) mettra en contact un serpentin (27) avec une extrémité du bloc thermoelectrique. Un radiateur à ailettes en aluminium (61) sera fixé sur la face externe de l'enceinte (21) en opposition au serpentin (27) pour facilité l'échange thermique avec l'extérieur des jonctions qui seront froides ou chaudes selon l'usage et permettra de rapprocher leur temperature de celle ambiante et contribuera ainsi & une stabilisation relative de celles-ci. Une thermistance (39) indiquera la temperature du serpentin. La température externe du couvercle sera transmise par la thermistance (40). La liaison de l'ensemble du bloc thermoélectrique avec l'extérieur se fera par un couvercle adapte composé de deux parties (fig.5). La première est un bloc en aluminium moulé (28) qui possède un logement destiné à recevoir le serpentin (27) qui assurera, par conduction a travers un liquide composé d'un mélange eau-glycol, le transfert de la chaleur ou du froid, vers les appareils concernes. Ce bloc sera maintenu par le couvercle (25) qui, évidé dans sa partie centrale, évitera les pertes calorifiques par de la mousse polyurethanne injectee (29), le maintien de l'ensemble étant assuré par les vis (26). Le radiateur de chauffage (lamellaire ou a ailettes entre autre) & liquide (30) sera équipé d'un bloc thermoelectrique fixé verticalement (fig.6). Ce bloc (31), aura son échangeur thermique en position basse. Une extrémité du serpentin (27) sera reliee au collecteur haut du radiateur par un flexible place dans une gaine & isolant thermique (32). L'autre sortie sera raccordée à une pompe électrique (33) qui sera elle-même reliée au collecteur bas du radiateur (34) dans les mêmes conditions. Le secteur alimentera le panneau de commande (35 > . Le dispositif sera complété par un ventilateur & flux réversible (43). Composé d'ailettes horizontales (44), deux cornets, l'un orienté vers le haut (45), l'autre incliné vers le bas (46) serviront l'un & aspirer l'air, l'autre & le propulser. Le sens de rotation du moteur sera fonction du choix froid ou chaud. Le flux sera dirigé vers le haut pour le froid ou bas pour le chaud. Le moteur du ventilateur (47) sera fixé sur le côté. Les différentes commandes (fig.7) seront regroupes sur un panneau de commande (35). Il y aura entre autre l'interrupteur marche-arret (36) du système qui peut être accompagné de voyants de fonctionnement. La puissance sera fonction de la position du rhéostat (37) qui déterminera la valeur de la tension. L'inverseur (38) permettra de choisir le chauffage ou le refroidissement. Le schéma (fig.8) montre les différents éléments composant le système. L'interrupteur (36) relira le secteur un redresseur (44). La tension redresse alimentera le régulateur (45) qui fournira une tension variable de zéro & quelques volta selon la position du rhéostat (37). Une thermistance (39) situee dans le couvercle (25) transmet la valeur de la temperature du serpentin (27). Une autre aonde (40) mesurera la température externe. Ces deux mesures seront comparées par le systeme amplificateur (41). si l'écart entre les deux températures est trop important, l'ampli (41) alimentera le relais (42) qui coupera l'alimentation du système ceci afin d'éviter les chocs thermiques.Lorsque le différentiel entre les deux températures sera redevenu faible, le relais reviendra en position zéro. Cette aolution évite de passer brusquement du froid au chaud ou vice-versa sans délais d'attente. L'inverseur (38), en sus de selectionner la température froide ou chaude, determinera le sens de rotation de la pompe (33), la production de chaleur étant dirigee vers le collecteur bas, celle du froid vers le haut ainsi que le sens du ventilateur (43). Bn ce qui concerne l'air conditionnée d'un véhicule (figes) le principe sera identique à celui du local hormis l'alimentation continu qui se fera & partir de la batterie (48). Les commandes pour le chauffage ou la climatisation (49) avec soufflerie de l'air exterieur ou recyclage seront identiques & celles existantes actuellement sur les véhicules. Le bloc thermoélectrique (31) remplacera le compresseur et l'évaporateur. Le liquide caloporteur ou frigorigene, selon le choix, sera amene par la pompe (33) dans un échangeur à ailettes (50). Le radiateur à ailettes moulé (61) fixé près de l'extrémité (21) du bloc sera situe près d'une aile pour subir le moins possible l'influence de la chaleur du moteur. L'échangeur (50) sera situé dans une gaine (51) qui servira de soufflerie. L'air extérieur sera amené par le ventilateur (52) vers le conduit d'aération de l'habitacle (53). L'amélioration du circuit de refroidissement du moteur (fig.lO) se fera par le branchement en parallèle du bloc thermoelectrique (31). Le radiateur (54) servira de refroidissement principal au moteur. Les durits (55) assureront le transfert du liquide par l'intermédiaire de la pompe & eau (56) vers le bloc moteur. Le thermostat membrane (57) du circuit principal s'ouvrira lorsque la temperature définie basse sera atteinte. Le thermostat du circuit secondaire (58) laissera passer le liquide vers le bloc thermoélectrique lorsque la température dite moyenne sera atteinte. Une thermistance (59) permet au circuit de commande (60) la mise en fonction a la température moyenne du bloc thermoélectrique ainsi que la puissance necessaire pour assurer un refroidissement plus bas et stable du moteur. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour chauffer ou refroidir une masse caractérisé par l'assemblage en parallèle thermique de trois ou plus couples thermoélectriques composes d'éléments semiconducteurs spécialement performants pour l'utilisation de l'effet Peltier tel les tellurures de bismuth qui constitueront un module qui formeront eux même, par groupe de quatre, et situés dans un même plan, des étages (18) qui, montes en serie thermique et assembles dans une enceinte (20), isoles de l'extérieur par de la mousse polyurethanne (23) injectée dans une deuxième enveloppe (21), formeront un bloc thermoélectrique qui transmettra, par l'intermédiaire d'un serpentin (27), un fluide caloporteur ou frigorigène vers les éléments intéressés, le cOté oppose etant en contact avec un radiateur en aluminium (61) pour faciliter l'échange thermique avec l'extérieur. 2) Dispositif selon la revendication 1 pour chauffer ou refroidir une masse caractérisé par un bloc thermoélectrique (31) associe un radiateur de chauffage (30) par l'intermédiaire d'un liquide qui sera caloporteur ou frigorigène selon le sens de la tension électrique appliquée dont le transfert se fera par une pompe (33) et la diffusion par un ventilateur (43). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par une commande (35) permettant de déterminer simultanément la puissance du système (37), le sens de transfert du liquide (38) ainsi que le débit de la pompe (33) et le sens du souffle du ventilateur (43). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par une adaptation sur un vehicule rendue possible par le remplacement du radiateur (30) par un échangeur a ailettes (50). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'apport d'un circuit de refroidissement parallèle un moteur grace un bloc thermoélectrique (31) piloté par le bloc de commande (60) asservi au thermostat mécanique (sus) et & la thermistance 59).