Brevet FR2782191A1 — publié le 20000211

DISPOSITIF D'ALIMENTATION ELECTRIQUE PAR CONVERSION THERMOELECTRIQUE. L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique par conversion thermoélectrique, comprenant un convertisseur thermoélectrique formé d'une pluralité de thermocouples reliés en série, ce convertisseur ayant une face chaude dont les thermocouples sont exposés à une source de chaleur et une face froide dont les thermocouples sont à10 une température inférieure à celle des thermocouples de la face chaude, la différence de température entre les thermocouples des deux faces déterminant la tension électrique générée par le convertisseur. On a déjà proposé d'associer à un tel convertisseur une source de chaleur telle que la flamme d'une lampe à pétrole pour produire, quand la lampe est allumée, une puissance électrique suffisante pour alimenter un récepteur radio à transistors. Cela permettrait à des populations qui se trouvent dans des20 régions dépourvues de réseaux de distribution d'énergie électrique, de recevoir des informations par radio, sans devoir utiliser de piles électriques qui se déchargent très rapidement dans les climats chauds et humides et que l'on ne peut parfois remplacer facilement.25 Il faut toutefois, pour cela, qu'un tel convertisseur puisse être fabriqué en grande série et à bas prix, avec un nombre de thermocouples suffisant pour produire une tension de sortie de plusieurs volts, notamment pour l'alimentation d'un récepteur radio à30 transistors, et il faut également que la face froide du convertisseur soit suffisamment refroidie quand sa face chaude est exposée à la flamme d'une lampe à pétrole. A défaut, il s'établirait rapidement, en quelques minutes, un équilibre de température entre la face chaude et la35 face froide du convertisseur, dont la tension de sortie deviendrait alors sensiblement nulle. L'invention a pour but d'apporter une solution simple, efficace et peu coûteuse à ce problème. Elle propose, à cet effet, un dispositif d'alimentation par conversion thermoélectrique, comprenant un convertisseur formé d'une pluralité de thermocouples connectés en série et ayant une face chaude destinée à être exposée à une source de chaleur et une face froide associée à des moyens d'évacuation de chaleur, caractérisé en ce que ces moyens d'évacuation de10 chaleur comprennent au moins une tige ou un tube en matière thermiquement conductrice qui relie la face froide du convertisseur à des moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur et qui est contenu dans une gaine de protection contre la chaleur rayonnée par la source15 précitée et contre les gaz chauds produits par cette source. Ce dispositif permet, d'une part, d'éloigner du convertisseur les moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur qui sont reliés à sa face froide20 et donc de soustraire ces moyens à l'influence de la source de chaleur et, d'autre part, de protéger contre un échauffement important les moyens de liaison entre la face froide du convertisseur et les moyens d'évacuation ou de dissipation de chaleur. On peut ainsi maintenir la25 face froide du convertisseur à une température nettement inférieure à celle de sa face chaude et donc garantir un niveau suffisant de la tension de sortie du convertisseur. Dans ce dispositif, la gaine précitée recouvre la face froide du convertisseur pour la protéger de la chaleur rayonnée et des gaz chauds et s'étend jusqu'aux moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant de l'invention, c'est l'ensemble du convertisseur, à l'exception de sa face chaude, qui est logé dans la gaine précitée pour être protégé de la chaleur rayonnée et des gaz chauds. Dans ce cas, seule la face chaude du convertisseur est exposée à la source de chaleur, tandis que tout le reste du convertisseur est protégé de la chaleur rayonnée par cette source et des gaz chauds qu'elle génère. On augmente ainsi la différence de température entre la face chaude et la face froide du convertisseur et on augmente en conséquence la tension de10 sortie du convertisseur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la tige ou le tube qui relie la face froide du convertisseur aux moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur est un caloduc.15 Ce caloduc, qui s'étend entre la face froide du convertisseur et les moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur, permet de maintenir la face froide du convertisseur sensiblement à la même température que les moyens de dissipation ou d'absorption20 de chaleur. La différence de température entre la face chaude et la face froide du convertisseur est alors maximale, ce qui engendre une production maximale d'énergie électrique par le convertisseur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les faces chaude et froide du convertisseur sont formées par des rondelles perforées de matière électriquement et thermiquement isolante, reliées l'une à l'autre par une pluralité de fils parallèles de deux matières électriquement conductrices, dont les extrémités30 sont reliées deux à deux, de préférence par soudure, pour former les thermocouples précités. Un tel convertisseur peut être fabriqué en grande série à cadence élevée, en utilisant des machines existantes de pose de composants électriques ou35 électroniques sur des circuits imprimés. Comme déjà indiqué, un tel convertisseur est particulièrement bien adapté à l'alimentation électrique d'un récepteur radio à transistors, à partir de la chaleur de la flamme d'une lampe-tempête.5 Il peut aussi être utilisé pour l'alimentation électrique d'appareils autres que des récepteurs radio, à partir d'une source de chaleur quelconque permettant de porter sa face chaude à une température suffisamment élevée. 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:15 - la figure 1 est une vue schématique partielle d'un convertisseur selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de dessus de ce convertisseur; - la figure 3 représente schématiquement une lampe à pétrole équipée d'un convertisseur selon l'invention; - la figure 4 est une vue de dessus des moyens de dissipation de chaleur du convertisseur de la figure 3; - lafigure 5 représente schématiquement une lampe à pétrole dans une variante de réalisation de l'invention; - la figure 6 représente également une lampe à pétrole dans une autre variante de réalisation de l'invention; la figure 7 est une vue schématique de dessus des moyens de dissipation d'énergie du dispositif de la figure 6. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2, qui représentent schématiquement un convertisseur thermoélectrique selon l'invention. Ce convertisseur C est essentiellement constitué de deux rondelles perforées 10 de matière électriquement et thermiquement isolante, telle par exemple que du mica ou du mica-silicone, qui sont axialement alignées et reliées entre elles par une tige axiale 12 comprenant à ses extrémités des moyens 14 de fixation sur les rondelles 10. Comme on le voit mieux en figure 2, chaque rondelle 10 comprend une pluralité d'orifices 16 qui sont par exemple répartis en cercles concentriques et dans lesquels passent les extrémités de fils parallèles 18, 20 qui sont disposés en alternance et qui sont formés de deux matières électroconductrices différentes utilisées de façon classique pour former des thermocouples (par15 exemple un alliage nickel-chrome et un alliage nickel- cuivre). Les fils 18, 20 sont enfilés dans des trous axialement alignés 16 des rondelles 10 comme représenté en figure 1, et les extrémités des fils voisins de nature20 différente sont réunies deux à deux par soudure sur les faces extérieures des rondelles 10 pour former les thermocouples proprement dits. Ces thermocouples sont reliés en série, une extrémité d'un fil 18 sur une face d'une rondelle 10 étant réunie par soudure à une25 extrémité d'un fil voisin 20 dont l'autre extrémité est réunie par soudure sur la face extérieure de l'autre rondelle 10 à une extrémité d'un autre fil 18 voisin, et ainsi de suite. La disposition des fils 18, 20 dans les trous 16 des rondelles 10 et les soudures deux à deux des extrémités des fils peuvent être réalisées de façon automatique à grande vitesse sur des machines de montage de composants sur des circuits imprimés, par exemple de la façon suivante:35 Les deux rondelles 10 sont rapprochées l'une de l'autre sur l'entretoise 12 et sont placées entre deux 6 2782191 têtes de positionnement de fils, l'une étant alimentée en fil 18 et l'autre en fil 20. Chaque tête fait avancer une longueur prédéterminée, par exemple d'environ 50 mm, de fil 18, 20 dans deux trous 16 axialement alignés des deux rondelles , puis deux pinces viennent saisir les fils et les couper, après quoi deux têtes de soudure situées de part et d'autre des rondelles 16 réalisent la jonction des extrémités des fils voisins 18, 20. Il faut ensuite faire10 tourner d'un pas les rondelles 10 et recommencer les opérations qui viennent d'être décrites. Les machines existantes permettent de poser et de souder ainsi deux fils en moins d'une seconde. La cadence de fabrication peut être très fortement augmentée15 quand on utilise des têtes multiples permettant de placer et de souder plusieurs fils simultanément dans les trous 16 des rondelles 10. Un convertisseur tel que celui représenté aux figures 1 et 2, peut comprendre environ 600 thermocouples, dans un encombrement qui est celui d'un cylindre d'une hauteur et d'un diamètre de 45 mm environ. Les rondelles 10 réalisées par exemple en mica-silicone résistent à des températures supérieures à 800 C. Selon les utilisations prévues, les rondelles et les soudures des fils 18, 20 sur les rondelles 10 peuvent être noyées dans un ciment réfractaire, ainsi qu'éventuellement l'ensemble des fils 18, 20 entre les rondelles 10. Des disques d'une matière bonne conductrice de la chaleur, telle que du cuivre par exemple, peuvent30 ensuite être posés sur les faces extérieures des rondelles 10 pour uniformiser les températures à chaque extrémité du convertisseur. Lorsque ce convertisseur doit être exposé à la flamme d'une lampe à pétrole ou d'une lampe-tempête comme représenté schématiquement en figure 3, il est suspendu au-dessus du foyer 22 de la lampe 24, à l'intérieur du verre 26 de cette lampe, de telle sorte que la face inférieure 28 du convertisseur ou face chaude puisse être portée à une température maximale par les flammes de combustion quand la lampe est allumée. L'autre face5 d'extrémité 30 du convertisseur ou face froide, est reliée par un tube ou une tige axiale 32 à des moyens de dissipation de chaleur formés par un radiateur annulaire 34 logé entre l'anneau supérieur 36 de la lampe et ses poignées latérales 38. Le dispositif selon l'invention comprend par ailleurs une gaine cylindrique 40 qui s'étend axialement entre la face froide 30 du convertisseur et le radiateur 34, autour de la tige 32 et qui se termine à son extrémité supérieure par un rebord annulaire 42 qui ferme la partie supérieure d'un conduit 44 qui coiffe le verre 26, ce rebord annulaire comportant des petits conduits cylindriques 46 qui s'étendent axialement entre la gaine et la surface cylindrique interne du radiateur 34 et qui débouchent à l'extérieur sous le capot 48 portant l'anneau 36. La gaine 44 est de préférence en matière thermiquement isolante. Elle peut aussi être formée d'un tube à double paroi, l'espace entre les deux tubes pouvant être fermé et rempli d'air ou d'une matière25 thermiquement isolante (du ciment réfractaire par exemple). Le rebord annulaire 42 de cette gaine a avantageusement une structure semblable à celle de la gaine. En outre, la surface externe de la gaine 40 peut être réfléchissante, et sa surface interne peut être noire. Le radiateur 34 est porté par l'extrémité supérieure de la tige axiale 32, au moyen d'une pièce en étoile dont la partie centrale 50 est fixée sur l'extrémité supérieure de la tige 32 et dont les bras radiaux 52 sont fixés à leur extrémité libre sur le radiateur 34. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante: Quand la lampe 24 est allumée, la flamme de combustion vient porter la face inférieure 28 du convertisseur à une température de l'ordre de 600 C. La face supérieure 30 du convertisseur est reliée par la tige axiale 32 (qui est réalisée en une matière bonne10 conductrice de la chaleur, par exemple en cuivre) au radiateur 34 qui se trouve à l'extérieur de la lampe. Les gaz chauds de combustion sont guidés dans l'espace compris entre la gaine 40 et le conduit 44 et s'échappent à l'extérieur par les petits conduits 46 précités. Ainsi, la tige 32 qui relie la face froide 30 du convertisseur au radiateur 34 est protégée du rayonnement de la flamme et du contact avec les gaz de combustion. Il en va de même pour le radiateur 34. Cela permet de maintenir la face froide 30 du convertisseur à une température de l'ordre de 150 à 200 C environ, la présence de la gaine 44 et de son rebord annulaire 42 avec les conduits 46 permettant d'abaisser la température de cette face froide d'au moins 100 C, ce qui augmente de façon notable la valeur de la tension25 générée par le convertisseur. Le mode de réalisation de la figure 5 diffère de celui des figures 3 et 4 en ce que la gaine 40 s'étend jusqu'à la face chaude 28 du convertisseur C, cette face 28 étant alors la seule partie du convertisseur qui est exposée à la flamme de la lampe et aux gaz de combustion, le reste du convertisseur se trouvant à l'intérieur de la gaine 40. Comme dans le mode de réalisation précédent, la face froide 30 du convertisseur est reliée par une tige en cuivre 32 au radiateur 34, et la gaine 40 comprend le rebord 42 formé avec les conduits cylindriques 46 de sortie des gaz de combustion qui circulent entre la gaine 40 et le conduit 44. Dans ce mode de réalisation, on peut maintenir la température de la face froide 30 du convertisseur aux environs de 120 C quand la face chaude 28 est à une température de l'ordre de 600 C, ce qui permet d'augmenter encore la tension de sortie du convertisseur et également de réduire les dimensions du radiateur 34. Dans le mode de réalisation des figures 6 et 7, le convertisseur C est placé à l'intérieur de la gaine comme dans le mode de réalisation précédent, seule sa face chaude 28 étant exposée à la flamme et aux gaz de combustion, et sa face froide 30 est reliée au radiateur 34 par un conduit 54 du type "caloduc". Ce type de conduit permet de maintenir la face froide 30 du convertisseur à une température sensiblement constante, correspondant à une condition d'équilibre liquide-vapeur d'un fluide de travail contenu dans le caloduc, toute élévation de température à l'extrémité du caloduc réunie à la face froide du convertisseur étant immédiatement compensée par transfert de chaleur au radiateur 34 associé à l'autre extrémité du caloduc. Des caloducs de ce type sont disponibles dans le commerce, notamment chez les sociétés...................et....................25 L'utilisation d'un caloduc 54 à la place de la tige de cuivre 32 permet de maintenir la face froide 30 du convertisseur à une température de l'ordre de 80 C quand la face chaude 28 est à une température de l'ordre de 600 C, ce qui permet d'augmenter la valeur de la30 tension générée par le convertisseur et de diminuer la taille du radiateur 34, qui peut alors être logé à l'intérieur de la gaine 40. Comme dans les modes de réalisation précédents, les gaz de combustion circulent entre la gaine 40 et le conduit 44 et s'échappent à l'extérieur par les conduits 46 prévus sur le rebord annulaire 42 de la gaine 40. Comme déjà indiqué, le convertisseur C permet, quand la lampe 24 est allumée, d'alimenter en énergie électrique un récepteur radio à transistors. Dans d'autres applications, le convertisseur C associé à une lampe-tempête 24 peut être utilisé pour alimenter un émetteur d'ultrasons du type destiné à éloigner les insectes tels que les moustiques. Bien entendu, on peut utiliser ce convertisseur avec d'autres sources de chaleur qu'une lampe à pétrole ou une lampe-tempête. Il REVENDICATIONS 1) Dispositif d'alimentation électrique par conversion thermoélectrique, comprenant un convertisseur (C) formé d'une pluralité de thermocouples connectés en série et ayant une face chaude (28) destinée à être exposée à une source de chaleur et une face froide (30) associée à des moyens (34) d'évacuation de chaleur, caractérisé en ce que ces moyens d'évacuation de chaleur comprennent au moins une tige (32) ou un tube (54) en10 matière thermiquement conductrice qui relie la face froide (30) du convertisseur à des moyens (34) de dissipation ou d'absorption de chaleur et qui est contenu dans une gaine (40) de protection contre la chaleur rayonnée par la source précitée et contre les gaz chauds15 produits par cette source. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite gaine (40) recouvre la face froide (30) du convertisseur pour la protéger de la chaleur rayonnée et des gaz chauds et s'étend jusqu'aux20 moyens (34) de dissipation ou d'absorption de chaleur. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble du convertisseur (C) à l'exception de sa face chaude (28) est logé dans ladite gaine (40) pour être protégé de la chaleur rayonnée et25 des gaz chauds. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tige (32) reliant la face froide (30) du convertisseur aux moyens (34) de dissipation ou d'absorption de chaleur est en cuivre.30 5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube reliant la face froide (30) du convertisseur aux moyens (34) de dissipation ou d'absorption de chaleur est un caloduc. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite gaine (40) est logée à l'intérieur d'un conduit (44) de passage des gaz chauds, dont l'extrémité supérieure est fermée et comporte des conduits cylindriques (46) de sortie des gaz chauds. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les conduits (46) de sortie des gaz chauds traversent les moyens (34) de dissipation ou d'absorption de chaleur. 8) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de dissipation ou d'absorption de chaleur comprennent un radiateur (34) logé à l'intérieur de l'extrémité supérieure de ladite gaine (40). 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gaine (40) est en matière thermiquement isolante ou a une configuration à double paroi. ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces chaudes (28) et froides (30) du convertisseur sont formées par des20 rondelles perforées (10) de matière électriquement et thermiquement isolante, reliées l'une à l'autre par une pluralité de fils parallèles (18, 20) de deux matières électriquement conductrices, dont les extrémités sont reliées deux à deux, par exemple par soudure, pour former les thermocouples'précités.