Brevet FR2817659A1 — publié le 20020607

Générateur thermoélectrique à thermocouples L'invention concerne un générateur thermoélectrique pour la production d'énergie électrique par effet Seebeck à partir d'une quantité de chaleur fournie par une source chaude. Ces générateurs comprennent une pluralité de thermocouples formés par les jonctions de deux fils ou deux éléments électroconducteurs de nature différente, les jonctions étant réparties en alternance sur deux faces opposées du générateur pour être mises en contact l'une avec une source chaude et l'autre avec une source froide. Il est classique de dire que dans un générateur de ce type, la puissance électrique produite est fonction de la différence de température des jonctions chaudes et des jonctions froides des thermocouples, ce qui est vrai, mais il serait plus précis de dire que cette puissance électrique est fonction de la puissance thermique qui traverse le générateur, cette dernière étant elle-même une fonction de la différence de température entre la source chaude et la source froide et de la résistance au transfert de chaleur dans le générateur selon une formule du type : Q = AT/R où : -Q est la puissance thermique traversant le générateur, - AT est la différence de température entre la source chaude et la source froide, R est la somme des résistances au transfert de chaleur dans les constituants du générateur. On en déduit que la puissance électrique susceptible d'être produite par le générateur peut être augmentée si la valeur de R est diminuée. En d'autres termes, il paraît avantageux de diminuer la résistance au transfert de chaleur dans le générateur, c'est-à-dire d'utiliser des constituants ayant une conductivité thermique aussi élevée que possible et qui seraient donc réalisés de préférence en matériaux métalliques. Ces matériaux ont toutefois l'inconvénient de ne pas supporter les températures élevées et d'être souvent coûteux, voire même très coûteux dans certains cas. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et peu coûteuse à ce problème. Elle a pour objet un générateur thermoélectrique du type précité qui soit utilisable à des températures élevées, qui ait une résistance au transfert de chaleur relativement faible et qui soit peu coûteux. Elle a également pour objet un tel générateur thermoélectrique qui soit de structure simple et d'assemblage aisé et peu coûteux et qui se prête bien à une industrialisation et à une fabrication en série. Elle propose, à cet effet, un générateur thermoélectrique comprenant une pluralité de thermocouples dont les jonctions sont sur deux faces opposées du générateur, caractérisé en ce que les jonctions situées sur une première desdites faces du générateur sont associées à des moyens d'échange de chaleur réalisés en un matériau réfractaire et ayant une surface de contact avec le milieu environnant qui est au moins plusieurs fois supérieure à celle desdites jonctions ou de la face du générateur comportant ces jonctions. Ces moyens d'échange de chaleur réalisés en matériau réfractaire, tel par exemple qu'une céramique, ont une conductivité thermique relativement faible et nettement inférieure à celles des métaux. Ils peuvent toutefois supporter des températures élevées et sont avantageusement associés aux jonctions chaudes des thermocouples, leur grande surface de contact avec le milieu chaud environnant permettant d'augmenter notablement le transfert de chaleur par convection en compensant ainsi très largement la diminution du transfert de chaleur par conduction qui est due à leur faible conductivité thermique. Un dimensionnement approprié de ces moyens d'échange de chaleur permet en outre de leur donner une faible dimension dans la dimension du transfert de chaleur vers les thermocouples, et donc de réduire l'effet négatif produit par leur faible conductivité thermique. On a constaté, par des essais et des mesures, qu'il est très intéressant d'augmenter le transfert de chaleur par convection dans ces moyens d'échange de chaleur et que ces derniers sont réalisables en matériau réfractaire avec un effet résultant positif sur le transfert de chaleur global dans le générateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau réfractaire des moyens d'échange de chaleur est également diélectrique, ce qui permet d'éviter tout risque de court-circuit électrique entre les jonctions chaudes et tout risque de courtcircuit électrique entre ces jonctions et le milieu environnant. Avantageusement, le matériau réfractaire et diélectrique utilisé dans ces moyens d'échange de chaleur est une céramique, qui est un matériau peu coûteux auquel on peut donner toute forme souhaitée par moulage ou par frittage. Selon une autre caractéristique de l'invention, les jonctions présentes sur l'autre face du générateur sont également associées à des moyens d'échange de chaleur en une matière diélectrique et réfractaire, et sont avantageusement noyées dans cette matière. En associant aux deux faces opposées du générateur comportant les jonctions des thermocouples des moyens d'échange de chaleur réalisés en un même matériau diélectrique et réfractaire, on facilite et on simplifie l'industrialisation et la fabrication en série des générateurs selon l'invention et on réduit leur coût. Dans une première forme de réalisation de l'invention, les thermocouples sont formés de fils métalliques électroconducteurs de deux natures différentes, reliés en alternance à leurs extrémités par soudure. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les thermocouples sont formés d'éléments semi-conducteurs polycristallins à dopage de type n et de type p respectivement, qui sont reliés entre eux à leurs extrémités pour former lesdites jonctions. Avantageusement, ces éléments semi-conducteurs sont à base de silicium et/ou de germanium, par exemple en un alliage de silicium et de germanium, et sont dopés dans la masse. Dans tous les cas, les thermocouples sont logés dans un boîtier en une matière diélectrique et réfractaire telle qu'une céramique, aux extrémités duquel se trouvent les moyens d'échange de chaleur associés aux jonctions chaudes et aux jonctions froides des thermocouples, ou, en variante, les thermocouples sont noyés, entre leurs jonctions, dans une matière diélectrique et thermiquement isolante du type céramique. Avantageusement, les matières diélectriques et réfractaires du boîtier ou de l'enrobage et des moyens d'échange de chaleur sont identiques ou semblables, ce qui facilite le montage des générateurs. 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. Dans cet exemple de réalisation, le générateur comprend essentiellement un boîtier de forme cylindrique, ouvert à ses deux extrémités axiales et contenant une pluralité d'éléments électroconducteurs de deux natures différentes qui s'étendent axialement d'une extrémité à l'autre du boîtier et qui sont réunis deux à deux à leurs extrémités par des liaisons électro-conductrices, formant les jonctions des thermocouples. Les jonctions des éléments au niveau de chaque extrémité axiale du boîtier sont noyées dans des couches protectrices de matière diélectrique et réfractaire, qui évitent tout risque de court-circuit électrique entre les jonctions et les protègent également d'un risque de court-circuit électrique avec des éléments extérieurs. Ces couches protectrices font partie de moyens respectivement d'échange de chaleur avec le milieu environnant. De préférence, les moyens d'échange de chaleur et le boîtier sont réalisés en un même matériau diélectrique et réfractaire ou à base d'un même matériau diélectrique et réfractaire, tel qu'une céramique par exemple. Les moyens d'échange de chaleur avec la source chaude et avec la source froide respectivement forment des radiateurs par exemple à pointes ou à ailettes, dont une plaque de base sensiblement plane est constituée par la couche précitée, avec des pointes ou ailettes formées en saillie sur la couche et orientées vers l'extérieur, ces pointes ou ailettes ayant une surface de contact avec le milieu environnant qui est supérieure ou très supérieure à la surface des jonctions ou de la couche correspondante. On peut ainsi augmenter dans une mesure notable le transfert de chaleur par convection entre le milieu environnant et les jonctions. On peut également donner une épaisseur axiale relativement faible aux couches de ces radiateurs, pour augmenter le transfert de chaleur par conduction, cette épaisseur étant par exemple de quelques millimètres et étant suffisante pour assurer la résistance mécanique nécessaire du radiateur. Des essais ont été réalisés avec un générateur du type qui vient d'être décrit, équipé d'un radiateur du côté source chaude et avec un générateur identique non équipé du radiateur, la surface de captation de chaleur étant alors formée par la seule couche dans laquelle sont noyées les jonctions chaudes des thermocouples. Le montage d'un radiateur en céramique, ayant une surface de contact avec les gaz chauds de la source chaude qui est environ sept fois plus élevée que celle de la couche, permet de diviser par cinq environ la résistance au transfert de chaleur par convection entre la source chaude et les jonctions chaudes des thermocouples. Dans les mêmes conditions de température des sources chaude et froide, la puissance thermique qui traverse le générateur est augmentée d'environ 20% et la puissance électrique produite par le générateur d'environ 30%. Par ailleurs, l'utilisation d'un radiateur en céramique ou en une autre matière diélectrique et réfractaire comparable permet de faire fonctionner le générateur avec des températures de source chaude de 1000oC ou davantage. Les moyens d'échange de chaleur associés aux jonctions froides des thermocouples sont eux aussi réalisés avantageusement en matière réfractaire pour des raisons d'économie et de simplification, même s'ils n'ont pas à supporter des températures élevées puisqu'ils sont destinés à être en contact avec la source froide. On peut bien entendu utiliser aussi des radiateurs métalliques, mais qui seront plus difficiles à fixer sur les jonctions et qui devront être électriquement isolés de ces dernières. Les thermocouples du générateur peuvent être formés de fils métalliques électroconducteurs de deux natures différentes, qui sont réunis entre eux à leurs extrémités par soudure. On peut par exemple utiliser des fils ayant un diamètre de l'ordre de 0,5 millimètre et une longueur de 50 millimètres ou moins. Ces thermocouples peuvent être reliés entre eux en série et/ou en parallèle, en fonction de l'impédance électrique interne souhaitée du générateur, qui doit être aussi faible que possible. Une façon de réduire cette impédance interne et de réduire également la résistance au transfert de chaleur par conduction dans les thermocouples, est d'utiliser des fils de plus grand diamètre et de plus faible longueur. Les thermocouples du générateur peuvent, en variante, être formés d'éléments semi-conducteurs à dopage de type n et de type p respectivement qui sont reliés électriquement à leurs extrémités en série et/ou en parallèle. De préférence, on utilise des éléments semiconducteurs polycristallins à base de silicium et/ou de germanium qui sont dopés dans la masse. Ces matériaux semi-conducteurs polycristallins, de qualité métallurgique, sont beaucoup moins onéreux que les matériaux semi-conducteurs monocristallins destinés à la micro-électronique et leur pouvoir thermoélectrique est nettement supérieur à celui des fils métalliques. Le remplacement des thermocouples en fils métalliques par des thermocouples à semi-conducteurs du type précité dans un générateur tel que celui représenté au dessin permet par exemple de multiplier au moins par trois la puissance électrique utile produite, toutes autres choses égales par ailleurs. Les thermocouples, métalliques ou semiconducteurs, sont placés dans le boîtier qui les protège et les isole électriquement et thermiquement de l'environnement extérieur. Le boîtier peut dans un premier mode de réalisation, être réalisé par moulage ou par frittage en une matière du type céramique. L'ensemble des thermocouples est ensuite placé dans le boîtier, puis les radiateurs sont coulés ou moulés sur les jonctions. Avantageusement, un radiateur, par exemple, est coulé ou moulé sur les jonctions chaudes, puis l'ensemble des thermocouples est introduit dans le boîtier, le radiateur venant en butée sur une extrémité du boîtier, mais n'étant pas fixé sur celui-ci. L'autre radiateur est ensuite coulé ou moulé sur les jonctions froides. De cette façon, une dilatation thermique des thermocouples supérieure à celle du boîtier ne provoque pas d'incidents, le radiateur pouvant se déplacer axialement par rapport au boîtier en suivant la dilatation thermique longitudinale des thermocouples. En variante, chaque radiateur est fixé sur une extrémité du boîtier qui est réalisée en deux parties indépendantes axialement superposées, comme représenté schématiquement en pointillés. Dans ce cas, une dilatation thermique longitudinale des thermocouples supérieure à celle du boîtier se traduit par une séparation des deux parties du boîtier. Dans une autre réalisation, les thermocouples dont les jonctions sont ou non associées à des radiateurs, sont placés dans un moule, et une matière destinée à former le boîtier est injectée ou coulée dans le moule. Avantageusement, on peut utiliser pour cela une technique d'imprégnation sous vide, qui est connue de l'homme du métier et appliquée par exemple dans la fabrication de transformateurs électriques. REVENDICATIONS 1-Générateur thermoélectrique, comprenant une pluralité de thermocouples dont les jonctions sont sur deux faces opposées du générateur, caractérisé en ce que les jonctions situées sur une première desdites faces sont associées à des moyens d'échange de chaleur réalisés en un matériau réfractaire et ayant une surface de contact avec le milieu environnant qui est au moins plusieurs fois supérieure à la surface desdites jonctions ou de la face du générateur comportant ces jonctions. 2-Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau réfractaire est diélectrique. 3-Générateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau réfractaire est une céramique. 4-Générateur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les jonctions de ladite première face sont noyées dans la matière diélectrique et réfractaire des moyens d'échange de chaleur. 5-Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'échange de chaleur forment un radiateur, par exemple du type à pointes ou à ailettes. 6-Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les jonctions de l'autre face du générateur sont également noyées dans des moyens d'échange de chaleur réalisés en un matériau diélectrique réfractaire du type précité et ayant une surface de contact avec le milieu environnant qui est au moins plusieurs fois supérieure à celle desdites jonctions ou de ladite autre face du générateur comportant ces jonctions. 7-Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les thermocouples sont formés de fils métalliques électroconducteurs de deux natures différentes, reliés à leurs extrémités par soudure pour former lesdites jonctions. 8-Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les thermocouples sont formés d'éléments semi-conducteurs polycristallins à dopage de type n et de type p respectivement, réunis électriquement entre eux à leurs extrémités pour former les jonctions précitées. 9-Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments semi-conducteurs sont à base de silicium et/ou de germanium et sont dopés dans la masse. 10-Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les thermocouples sont logés dans un boîtier de matière diélectrique et réfractaire telle qu'une céramique, aux extrémités duquel se trouvent les moyens d'échange de chaleur associés aux jonctions des thermocouples. 11-Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un moyen d'échange de chaleur est mécaniquement indépendant du boîtier pour une dilatation thermique différentielle entre les thermocouples et le boîtier. 12-Générateur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le boîtier est en deux parties axialement superposées et indépendantes l'une de l'autre. 13-Générateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les thermocouples sont, entre leur jonctions, noyés dans une matière diélectrique et réfractaire du type céramique.