Brevet FR2912260A1 — publié le 20080808

-1- DESCRIPTION La présente invention a pour objet à titre de produit industriel nouveau un système et procédé de générateur thermoélectrique comportant échangeur de chaleur incorporé. On connaît déjà des systèmes et des clispositifs qui récupèrent des calories sur les jonctions froides des thermocouples, étant donné que ces jonctions dites froides sont toutefois à une température supérieure à la température ambiante. On connaît encore un système de branches en forme de disques ou de couronnes , qui dissipent la chaleur de manière concentrique. De tels systèmes sont notamment décrits dans le brevet d'invention français n 2732819 du même inventeur. Ces systèmes présentent l'inconvénient de ne récupérer qu'une faible partie des calories. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et se rapporte à un 1 5 système d'échangeur de température intégré utilisant au moins un fluide caloporteur qui circule le long des branches des thermocouples depuis sensiblement leurs extrémités froides vers sensiblement leurs !extrémités chaudes et/ou depuis sensiblement leurs extrémités chaudes vers sensiblement leurs extrémités froides. Ledit système opérant sur le principe d'un échangeur à cocourant ou en variante à 20 contre-courant L'invention sera bien comprise en se référant à la description ci-dessous ainsi qu'aux dessins annexés, dont : La fig. 1 représente un ensemble de thermocouples, tel qu'on le dessine habituellement. 25 La fig. 2 est une vue de droite de la figure 1. la fig. 3 est une vue de dessus de la figure 1. La fig. 3 est une vue de dessus de la figure 4. La fig. 4 représente un ensemble de thermocouples équipé d'une semelle chaude et d'une semelle froide et constitue un module thermoélectrique classique. 30 La fig. 5 est une vue de doite de la figure 4. La fig. 6 représente un module thermoélectrique dont les semelles sont munies d'ouvertures permettant le passage d'un fluide caloporteur. La fig. 7 est une vue de doite de la figure 6. La fig. 8 est une vue de dessus de la fig. 9 . 35 La fig. 9 représente un module thermoélectrique identique à celui de la fig. 4, mais dans lequel on a pratiqué des ouvertures. La fig. 10 représente un module thermoélectrique identique à celui de la fig. 9, mais 38 équipé en plus d'une chambre de combustion. '1C -2- La fig. 11 représente un module thermoélectrique identique à celui de la fig. 10, mais équipé en plus d'une tuyauterie et d'une chambre pour l'arrivée et le retour d'un fluide caloporteur. - La fig. 12 représente un module thermoélectrique identique à celui de la fig. 11, 5 mais comportant des ouvertures dans certaines branches des thermocouples. La fig. 13 est une vue de doite de la figure 12. La fig. 14 représente un module thermoélectrique dont les branches revêtent une forme circulaire. La fig. 15 est une vue de doite de la figure 14. '10 La fig. 16 représente un module thermoélectrique dont les branches sont constituées par de fines lamelles. La fig. 17 est une vue de doite de la figure 16. La fig. 18 représente un module thermoélectrique dont les branches revètent une forme circulaire et dont ces branches sont constituées de fines lamelles. 1 5 La fig. 19 est une vue de doite de la figure 18. Ainsi: En (1) et (2) sont représentées les branches P et N des thermocouples constituant un module thermoélectrique. Ces branches sont réalisées dans des matériaux semiconducteurs adéquats comme 20 le Bi2Te3 dopé P pour l'une des branches et N pour l'autre. Des barrettes de jonction (3) en cuivre relient électriquement les extrémités des thermocouples par paires. Le courant électrique produit par les thermocouples est collecté par deux bornes (4) et (5). 25 Pour rigidifier une série de thermocouples, on les maintient par deux semelles (6) et (7) en matériaux diélectriques, mais relativement bons conducteurs thermiques. Chacune desdites semelles est portée à une température différente. L'ensemble ainsi obtenu est appelé par convention un module thermoélectrique. Dans ce module, il s'opère un déplacement de flux thermique entre les parties 30 chaudes des branches et leurs parties froides, ce qui provoque un déplacement d'électrons selon l'effet Seebeck. La partie froide reste cependant plus élevée que la température ambiante, il s'agit ici de la semelle (7) qui dissipe des calories qui sont ainsi perdues. Pour remédier à cet inconvénient, on fait circuler un fluide caloporteur (8) dans la 35 semelle froide (7). Ce fluide capture ainsi une certaine quantité de calories, puis il va se faire réchauffer dans une chaudière (9) pour ensuite être diririgé vers la semelle chaude (6) qu'il traverse. Le fait d'introduire dans ladite chaudière un fluide caloporteur déjà réchauffé, permet d'économiser du combustible et par conséquent, d'augmenter le rendement de la 40 conversion thermoélectrique. -3-Cependant, les dispositions ci-dessus ne permettent pas une récupération maximum des calories, car elles ne concernent que la fraction de température disponible à l'extrémité froide des branches qui, toutefois, est plus élevée que la température ambiante. Ainsi selon la présente invention et afin d'obtenir un rendement plus élevé, on fait se déplacer le fluide caloporteur qui dans ce cas de figure est de l'air, non pas dans le sens transversal des branches comme décrit ci-dessus, niais dans le sens longitudinal de celles-ci. Le fluide caloporteur se déplace alors du côté froid des branches (7) vers le côté chaud (6) de celles-ci. Pour permettre ce déplacement, on pratique des ouvertures (10) et (11) dans les semelles et les barrettes. Le fluide caloporteur est introduit clans les modules par les ouvertures (10) pratiquées du côté froid, puis est expulsé par les ouvertures (11) pratiquées du côté chaud. Avec les dispositions ci-dessus, le fluide caloporteur acquiert une température nettement plus élevée. A sa sortie par les ouvertures (11), le fluide caloporteur est introduit dans une chambre de combustion (12) dont le plancher perforé est constitué par la semelle chaude (6). Dans cette chambre sont encore disposés des injecteurs de fuel (13) et aménagée une ouverture d'échappement (14). Le fluide caloporteur est amené dans le module par une tuyauterie (15). Une autre exécution de l'invention consiste à faire circuler leduit fluide caloporteur dans un sens sur une partie d'une branche et dans l'autre sens sur une autre partie de cette même branche, mais toujours dans une direction allant sensiblement de la 25 partie chaude vers la partie froide pour l'un des sens et vis versa pour l'autre sens. Ainsi: Dans un module thermoélectrique comme décrit ci-dessus, on alimente une ouveture sur deux (15) avec un fluide caloporteur entrant et on receuille le fluide sortant sur les autres ouvertures (16) dans un carter (17) muni d'une ouverture 30 d'échappement (18). Encore une autre exécution de l'invention consiste à réaliser un passage du fluide caloporteur, non pas en traversant les barrettes de jonction et les semelles, mais en traversant les branches des thermocouples. Ainsi: Dans un module thermoélectrique comme décrit ci-dessus on supprime les ouvertures (11) traversant les barrettes de jonction ainsi que les semelles et l'on aménage des passages (19) dans les branches (1) (2) des thermocouples une fois sur deux. La chambre de combustion pouvant dans ce cas être alimentée par un flux différent de celui utilisé comme fluide coloporteur. Encore une autre exécution de l'invention consiste à réaliser un module comme ci-dessus, mais l'on aménage des passages (19) dans chacune desdites branches (20) et (21). Les semelles (22) et (23) sont alimentées par des fluides caloporteurs différents de celui qui est en contact avec les branches des thermocouples. 10 15 20 35 40 45 -4- Une autre exécution de l'invention consiste à donner la forme de couronnes (24) aux branches des thermocouples et à les empiler pour otenir un tube cylindrique (25). On fait alors circuler du fluide caloporteur entre les couronnes (26), circulation qui se fait dans les mêmes sens que celui décrit précédemment . La partie intérieure du tube (27) constitue une chambre de combustion ou bien un passage pour un fluide caloporteur. Une autre exécution de l'invention consiste à utiliser des branches ayant une faible épaisseur (28). Lesdites branches réalisées dans un matériau maléable, peuvent être découpées ou 10 déformées par emboutissage ou par tout autre procédé afin de revêtir toutes sortes de formes. Une exécution en forme de couronnes peut également mettre en oeuvre ces branches ayant une faible épaisseur (29). La présente invention comporte de nombreux avantages, dont celui d'obtenir un 1 5 excellent rendement de conversion de la chaleur en électricité ainsi que de permettre une construction très rationnelle de modules thermoélectriques. La présente description n'est pas limitative et l'on peut y apporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir de son champ d'application, ainsi : Les branches des thermocouples peuvent avoir toutes sortes de configurations, de 20 dimensions ou d'épaisseurs. L'épaisseur des branches peut ne pas être constante et peut varier pour être plus importante à certains endroits des branches et moins importante à d'autres endroits de celles-ci. La matière constituant les branches peut être de nature différente selon l'endroit de 25 la branche. La source de chaleur peut être de toute sorte, elle peut être produite sur place dans une chambre de combustion ou être importée par un fluide caloporteur venu d'ailleurs, et notamment, dans le cas d'une cogénération, par le circuit de refroidissement de toute machine thermique; dont les moteurs à essence, les 30 moteurs diesel, les turbines à gaz. La source de chaleur peut aussi être constituée par des radio-éléments, ces derniers pouvant avoir la forme d'une barre introduite au coeur du module. Ainsi, a nature du fluide caloporteur peut varier à l'infini: ledit fluide caloporteur est un liquide 35 ledit fluide caloporteur est un gaz ledit fluide caloporteur est un mélange de gaz ledit fluide caloporteur est une saumure ledit fluide caloporteur est un sel fondu ledit fluide caloporteur est un métal liquide 40 ledit fluide caloporteur est une vapeur ledit fluide caloporteur est une émulsion ledit fluide caloporteur est une suspension ledit fluide caloporteur est un mélange quelconque 44 ledit fluide caloporteur est de l'air -5- lesdites branches sont réalisées en matériaux semiconducteurs lesdites branches sont réalisées en métaux lesdites lesdites branches sont réalisées en cermet lesdites branches sont réalisées en carbone lesdites branches sont réalisées en carbone dopé ou non lesdites branches sont réalisées en graphite lesdites branches sont réalisées au moins en partie avec des chapelets comducteurs ILedit fluide caloporteur qui dans un cas de figure est de l'air, est prélevé à son retour du trajet effectué au contact des-dites branches pour alimenter une chambre de 10 combustion. Lesdites branches ont une configuration sensiblement parallélépipédique lesdites branches ont une configuration en forme de couronne à dissipation thermique concentrique. Lesdites branches ont la configuration de fines lamelles d' une épaisseur inférieure à 15 0,3 mm. Lesdites branches et ledit fluide caloporteur constituent un échangeur de chaleur à cocourant. Lesdites branches et ledit fluide caloporteur constituent un échangeur de chaleur à 1 9 contre-courant. REVENDICATIONS 1) Système de générateur thermoélectrique comprenant un échangeur de température utilisant un fluide caloporteur qui prélève des calories à un endroit d'une branche des thermocouples dudit générateur, pour les restituer à un autre endroit de ces thermocouples afin d'améliorer le rendement de la conversion de chaleur en électricité, caractérisé, en ce que ledit générateur est agencé pour faire se déplacer un fluide caloporteur le long d'au moins une branche d'un thermocouple dans un sens allant sensiblement de sa partie froide vers sa partie chaude, 1 0 en ce que ledit générateur est encore agencé pour qu'après avoir rejoint ladite partie chaude, ledit fluide se déplacer dans le sens inverse, allant sensiblement de ladite partie chaude vers ladite partie froide de ladite branche, et en ce que ledit fluide caloporteur qui dans un cas de figure est de l'air, est prélevé à son retour du trajet ainsi effectué, pour alimenter une chambre de combustion 15 2) Système de générateur thermoélectrique selon la revendication 1) aractérisé en ce que lesdites branches ont une configuration de fines lamelles d'une épaisseur inférieure à 0,3 mm. 3) Système de générateur thermoélectrique selon les revendications 1) et 2) caractérisé en ce que lesdites branches ont une configuration sensiblement 20 parallélépipédique. 4) Système de générateur thermoélectrique selon les revendications 1), 2) et 3) caractérisé en ce que lesdites branches ont une configuration sensiblement en forme de couronne à dissipation thermique concentrique. 5) Système de générateur thermoélectrique selon les revendications 1), 2), 3) et 4 25 caractérisé en ce que lesdites branches et ledit fluide caloporteur constituent un échangeur de chaleur à cocourant. 6) Système de générateur thermoélectrique selon les revendications 1), 2), 3),4 et 5) caractérisé en ce que lesdites branches et ledit fluide caloporteur constituent un 29 échangeur de chaleur à contre-courant.