Brevet FR2938020A1 — publié le 20100507

Domaine de l'invention La présente invention concerne un échangeur de chaleur de gaz d'échappement pour un générateur thermoélectrique comportant au moins un élément central pour le passage des gaz d'échappement avec au moins deux canaux d'écoulement dirigés radialement et au moins un module thermoélectrique ainsi qu'au moins une installation de refroidissement. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel échangeur. Etat de la technique La réduction des émissions de gaz carbonique CO2 est un objectif primordial de l'industrie automobile. On connaît différentes façons de récupérer la chaleur perdue, par exemple dans la conduite des gaz d'échappement pour la recycler par exemple dans la ligne d'entraînement. De plus il existe des recherches pour utiliser la chaleur dégagée en transformant de l'énergie thermique en énergie électrique. Dans ce contexte on examine entre autre des solutions pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique par des générateurs thermoélectriques. Ces générateurs utilisent l'effet Seebeck qui dit en principe que dans un conducteur électrique soumis à un gradient de température, les porteurs de charge passent du côté chaud au côté froid. Il existe différentes solutions au stade de la recherche pour évaluer la faisabilité et l'efficacité de ce principe. Pour que les modules thermoélectriques soient très effi- caces il faut brancher plusieurs matériaux différents, électriquement en série et thermiquement en parallèle. Cela signifie que des exigences particulières s'imposent à la conductivité électrique qui doit être aussi élevée que possible et à la conductivité thermique qui doit être aussi faible que possible pour le matériau thermoélectrique. Pour avoir un rende- ment maximum il faut pour cette raison que la différence de température entre le côté chaud (température des gaz d'échappement) et le côté froid (température de l'eau de refroidissement) soit si possible dans le rapport de 1 à 1 et que cela se traduise dans ces conditions sur la matière thermoélectrique. Cela n'est possible que si les matériaux se trou- vant d'une part entre les gaz d'échappement et l'extrémité chaude du 2 matériau thermoélectrique et d'autre part entre l'extrémité froide du matériau thermoélectrique et l'eau de refroidissement, présentent une forte conductivité thermique et une faible résistance de contact thermique sans créer de flux de chaleur parasite entre le côté chaud et le côté froid. Le transfert de l'énergie thermique à partir des gaz d'échappement vers le matériau de l'échangeur de chaleur et dans le matériau thermoélectrique n'est pas particulièrement efficace à cause de la transition gaz/corps solide et c'est pourquoi différentes mesures ont été prises pour avoir une surface de sortie de chaleur particulièrement grande. Par exemple on réalise cela par des surfaces supplémentaires telles que des tôles conductrices de chaleur installées dans les gaz d'échappement. Mais cette conception pour être très efficace nécessite un choix des matériaux des surfaces exposées aux gaz d'échappement. Ces matériaux doivent d'une part être très stables à température élevée et vis-à-vis de l'environnement corrosif et néanmoins ils doivent avoir une bonne conductivité thermique. Le cuivre répond à la condition d'une conductivité thermique élevée mais il n'est pas stable dans les gaz d'échappement. En revanche l'acier inoxydable résiste aux gaz d'échappement mais n'a pas une conductivité thermique élevée. En ou- tre, pour améliorer l'efficacité il faut éviter les ponts thermiques entre le côté chaud et le côté froid ce qui doit être pris en compte pour la fixation des modules thermoélectriques. Jusqu'à des températures de l'ordre de 600°C et dans le cas extrême jusqu'à 800°C on peut souder en surface. Au-delà de ces températures il faut favoriser les liaisons par serrage et cela dans le sens d'une solidité à long terme. Les éléments élastiques nécessaires doivent être installés sur le côté froid. Un autre inconvénient est qu'à la fois les liaisons vissées et les liaisons serrées nécessitent une forte épaisseur de matière ou une géométrie particulière. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un échangeur de chaleur de gaz d'échappement du type défini ci-dessus caractérisé en ce que : - le module thermoélectrique est prévu sur une partie de la surface d'un canal d'écoulement de l'élément central à l'opposé du côté sur lequel passent les gaz d'échappement, et 3 - l'installation de refroidissement est appliquée à plat contre le module thermoélectrique de façon à couvrir la surface du module thermoélectrique à l'opposé du canal d'écoulement de l'unité centrale. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel échangeur de chaleur, procédé caractérisé en ce que : a) réalisation d'une unité centrale traversée dans la direction axiale par les gaz d'échappement et ayant au moins deux canaux d'écoulement dirigés radialement, b) application d'au moins un module thermoélectrique sur une surface partielle d'un canal d'écoulement, du côté opposé à celui des gaz d'échappement, et c) application d'une installation de refroidissement sur la surface d'un module thermoélectrique non tournée vers le canal d'écoulement. Vis-à-vis d'un échangeur de chaleur selon l'état de la technique, l'échangeur de chaleur selon l'invention offre l'avantage que sa construction simple permet une fixation simplifiée à l'aide d'une pince de fixation ou collier ou à l'aide d'une pince de serrage. Grâce à la forme particulière de l'échangeur de chaleur on peut réaliser une liaison par la force à l'aide d'une pince de serrage ou d'un ruban formant collier sans que cela ne se traduise par un pont thermique supplémentaire entre le côté chaud des gaz d'échappement et le côté froid du circuit de refroidissement. De plus grâce à sa construction, l'échangeur de chaleur convient pour travailler de manière fiable dans des conditions extrêmes de la technique automobile par exemple à des températures élevées et dans l'environnement corrosif des gaz d'échappement. Il est en outre avantageux que l'échangeur de chaleur des gaz d'échappement présente à la fois un excellent rendement de son module thermoélectrique en évitant les ponts thermiques tout en étant d'une construction particulièrement simple en rendant maximum les surfaces planes nécessaires au montage des modules thermoélectriques. L'échangeur de chaleur selon l'invention offre ainsi une meilleure fiabilité à long terme et permet un montage simple dans les systèmes existants de conduite de gaz d'échappement. En outre on a trouvé que l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement selon l'invention pouvait être réalisé pour permettre son 4 intégration dans la conduite des gaz d'échappement et de raccourcir de manière significative le chemin de transmission de chaleur entre les gaz d'échappement chauds et les modules thermoélectriques. L'objet de la présente invention est dans ces conditions un échangeur de chaleur de gaz d'échappement pour un générateur thermoélectrique ayant au moins un élément central pour le passage des gaz d'échappement et au moins deux canaux d'écoulement dirigés radialement avec au moins un module thermoélectrique et au moins une installation de refroidissement. Selon l'invention et comme indiqué io ci-dessus cet échangeur de chaleur est caractérisé en ce que le module thermoélectrique est installé sur une partie de la surface d'un canal d'écoulement de l'élément central, du côté opposé à celui du passage des gaz d'échappement. L'installation de refroidissement est appliquée à plat contre le module thermoélectrique de façon à couvrir la face du 15 module thermoélectrique du côté opposé à celle du canal d'écoulement dans l'unité centrale. Le générateur thermoélectrique est l'ensemble du système qui, selon le flux d'énergie, comprend des composants d'échangeur de chaleur du côté chaud, par exemple constitués par un élément cen- 20 tral selon l'invention avec des canaux d'écoulement, un ou plusieurs modules thermoélectriques branchés électriquement en parallèle et thermiquement en série ainsi que l'échangeur de chaleur du côté froid ; cet échangeur de chaleur est par exemple constitué par l'installation de refroidissement et l'installation est branchée électriquement sur le ré- 25 seau embarqué. Le module thermoélectrique est un module séparé qui se compose d'un dispositif de plusieurs matériaux thermoélectriques différents généralement entre deux substrats et d'un branchement, par des surfaces de contact et des électrodes, généralement en technique des 30 couches. Dans le cadre d'un mode de réalisation préférentiel, l'installation de refroidissement est constituée par des tôles conductrices de chaleur ou des organes de refroidissement traversés par du liquide. Selon les conditions et l'optimisation de la réduction de 35 température entre le côté chaud des gaz d'échappement et le côté re- froidi du module thermoélectrique, on peut prévoir un refroidissement par air ou un refroidissement par liquide. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, plusieurs canaux d'écoulement sont disposés en étoile dans la direction radiale et 5 sont traversés par les gaz d'échappement circulant dans la direction axiale. En principe, l'élément central avec les canaux d'écoulement peut avoir une forme quelconque. C'est ainsi que par exemple on peut pré-voir un tube central d'où partent des canaux d'écoulement selon une disposition en étoile dans la direction radiale. Les canaux d'écoulement ont de préférence des surfaces radiales planes pour la fixation des modules thermoélectriques, ces surfaces étant soit parallèles soit divergentes vers l'extérieur. On utilise de préférence une forme de coin pour les installations de refroidissement entre les canaux, pour avoir un bon effet de serrage entre les éléments et une circulation simple de l'eau de refroidissement. Le nombre de canaux d'écoulement n'est pas limité. Toutefois il ne doit pas être trop important pour garantir un refroidissement efficace entre deux modules thermoélectriques voisins, qui sont également installés sur des canaux d'écoulement voisins. Cela est notamment vrai pour un mode de réalisation comportant des installations de refroidissement pour un refroidissement par air. Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'élément central est en un matériau très stable à température élevée et résistant aux gaz d'échappement. L'élément central peut par exemple être fabriqué en acier inoxydable car comme selon l'invention le chemin de transfert de chaleur est très court on a une efficacité suffisamment élevée même avec un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à celle du cuivre. De plus l'acier inoxydable a l'avantage d'une très bonne stabilité en température et d'une très bonne résistance à l'environnent corrosif en plus de sa bonne stabilité mécani- que. Dans le cas d'un mode de réalisation préférentiel, des tôles conductrices de chaleur peuvent être installées dans les canaux d'écoulement. Selon l'invention, les tôles conductrices de chaleur peu-vent être réalisées en un matériau très solide du fait que les chemins d'échangeur de chaleur sont courts ; ce matériau peut avoir une 6 conductivité thermique relativement faible. Les tôles conductrices de chaleur peuvent par exemple être en acier inoxydable. En outre de manière préférentielle, l'échangeur de chaleur des gaz d'échappement selon l'invention comporte au moins une installation de refroidissement commune pour deux modules thermoélectriques voisins. Cela permet un refroidissement très efficace car le volume de refroidissement est très grand par exemple avec des unités de refroidissement traversées par du liquide. Selon une variante de réalisation de l'invention, chaque module thermoélectrique comporte une installation de refroidissement. Selon un autre développement préférentiel de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement selon l'invention, les différents éléments à savoir l'unité centrale, le module thermoélectrique et l'unité de refroidissement sont bloqués par un collier périphérique. Cela permet de réaliser une construction garantie et fiable à long terme par un serrage par la force des différents éléments. Cette solution est de plus économique. De manière préférentielle, on applique une pâte thermoconductrice entre les surfaces d'échange de chaleur des canaux d'écoulement, le module thermoélectrique et l'installation de refroidissement. Cela améliore encore l'échange de chaleur entre ces surfaces. De manière préférentielle, les canaux d'écoulement dirigés radialement, de l'unité centrale peuvent se rejoindre en pointe à l'extérieur. Cela se traduit avantageusement par une réduction mini- male des surfaces frontales au niveau de l'anneau extérieur de sorte que sur le côté extérieur on n'aura pratiquement pas de rayonnement thermique assurant une utilisation encore plus efficace de la chaleur des gaz d'échappement. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de gaz d'échappement pour un générateur thermoélectrique comme cela a été indiqué ci-dessus. L'installation des modules thermoélectriques sur les canaux d'écoulement peut se faire par des soudures si les exigences de tenue en température sont réduites. Pour des exigences élevées de te- nue en température on prévoit avantageusement une fixation par ser- 7 rage par une liaison par la force des composants à l'aide de pinces, de colliers ou de griffes. Le branchement des modules thermoélectriques se fait d'une manière connue des spécialistes, adaptée aux paramètres souhai- tés de puissance, de tension et d'intensité. De manière générale on utilise une combinaison de circuits en série et/ou en parallèle. L'invention concerne également l'utilisation d'un tel échangeur de chaleur de gaz d'échappement dans un véhicule automobile. A côté de l'utilisation technique automobile on peut éga- lement envisager l'utilisation dans le cadre de centrales électriques. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une section schématique d'un échangeur de chaleur de gaz d'échappement selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'une section de trois formes de réalisation différentes de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement selon l'invention, représenté dans les figures 2a, 2b, 2c, - la figure 3 montre schématiquement une section plus simplifiée de trois autres modes de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention représentés aux figures 3a, 3b, 3c. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une section d'un échangeur de chaleur 1 selon la présente invention. L'échangeur de chaleur 1 comporte un élément central 2 avec des canaux d'écoulement 3 dirigés radialement. Les canaux d'écoulement 3 sont traversés dans la direction axiale, par des gaz d'échappement chauds. Ces canaux sont munis de surfaces latérales planes avec chaque fois des modules thermoélectriques 4 sur le côté opposé à celui du passage des gaz d'échappement. L'élément central 2 et les canaux d'écoulement 3, tels que présentés sont de préférence fa-briqués en acier inoxydable car dans la structure de l'échangeur de cha- leur 1 de gaz d'échappement selon l'invention, les chemins de passage 8 de la chaleur sont très courts et permettent ainsi d'utiliser un matériau qui a certes une conductibilité thermique plus faible mais est avantageusement stable aux températures élevées et dans un environnement corrosif. Chaque fois entre deux modules thermoélectriques voisins 4 on a une installation de refroidissement 5 en forme de coin. Cette installation de refroidissement refroidit simultanément les deux modules thermoélectriques 4 adjacents et génèrent de cette manière un fort gradient de température dans le module thermoélectrique entre le côté des gaz d'échappement chauds et le côté refroidi, sans pont thermique parasite entre le côté des gaz d'échappement chauds et le côté refroidi des modules. L'installation de refroidissement couvre complètement la surface du module thermoélectrique 4. Les modules thermoélectriques 4, tels que présentés peuvent s'étendre dans la direction axiale sur une zone partielle de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement 1. On peut également avoir plusieurs modules 4 l'un derrière l'autre, dans la direction axiale. L'échangeur de chaleur des gaz d'échappement 1 avec ses éléments est tenu selon la présente réalisation, par un effet de pince-ment par une liaison par la force à l'aide d'une pince de fixation 6. Cette pince est bloquée par une liaison vissée 7. Comme l'indique la présente figure, l'installation de refroidissement 5 peut être une installation de refroidissement traversée par un liquide, par exemple reliée au circuit d'eau de refroidissement du véhicule automobile. On peut également avoir un circuit d'eau de refroidissement, indépendant. La figure 2 montre dans ses figures 2a-2c une section de trois formes de réalisation différentes a...c de l'échangeur de chaleur des gaz d'échappement selon l'invention. La figure 2a montre l'élément central 2 qui, à la différence de la disposition de la figure 1, est réalisé pour avoir un segment tubulaire central d'où partent radialement des canaux d'écoulement 3. Cela permet d'assurer un bon débit des gaz d'échappement à travers l'échangeur de chaleur évitant une forte contre-pression des gaz d'échappement. Les surfaces latérales de forme plane des canaux d'écoulement 3 se prolongent en pointe vers l'extérieur ce qui, d'une part assure un bon contact avec les modules thermoélectriques 4 et d'autre part, permet avantageusement de minimiser le rayonnement 9 thermique de la surface extérieure de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement. Cela permet un rendement encore plus élevé de la conversion de l'énergie calorifique des gaz d'échappement en énergie électrique. Cette remarque s'applique également à la variante présentée à la figure 2b dans laquelle, à la différence de la disposition de la figure 2a on a en tout neuf canaux d'écoulement 3, dirigés radialement en forme d'étoile. Le nombre de canaux d'écoulement 3 modifie la forme du segment de passage central emprunté par les gaz d'échappement qui n'a plus, dans ces conditions, de segment tubulaire. La variante de la figure 2c de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement 1 selon l'invention utilise un élément central 2 qui a de nouveau une section centrale tubulaire d'où partent radialement les canaux d'écoulement 3. A la différence des réalisations des figures 2a et 2b, les surfaces latérales planes des canaux d'écoulement 3 s'écartent en direction de l'extérieur formant une surface extérieure plus large. Cette variante permet un plus fort débit des gaz d'échappement à travers l'élément central 2 et répond ainsi aux exigences de débit nécessaire pour un fonctionnement optimum des installations de nettoyage des gaz d'échappement équipant le système des gaz d'échappement d'un véhi- cule automobile. La figure 3 montre dans ses parties 3a-3c, schématique-ment des sections simplifiées de trois autres variantes de l'échangeur de chaleur de gaz d'échappement 1 selon l'invention. Les variantes présentées reposent sur la structure de la figure 2c. Pour simplifier le dessin, les dispositifs de serrage et de vissage n'ont pas été représentés. Dans la variante de la figure 3a on a un refroidissement par air comme installation de refroidissement 5. Pour ce refroidissement, les tôles conductrices de chaleur 8 sont installées comme des éléments de refroidissement sur les modules thermoélectriques 4. Ces tôles peuvent être fabriquées en un matériau bon conducteur de chaleur comme par exemple du cuivre. Le choix du matériau pour ces tôles d'évacuation de chaleur n'est pas critique car ces tôles ne sont pas exposées aux gaz d'échappement. De façon préférentielle toutefois on utilise dans ce cas également un matériau ayant une grande fiabilité à long terme et une bonne solidité mécanique telle que par exemple de l'acier inoxydable. 2938020 lo La figure 3b montre une variante de la disposition de la figure 2c dans laquelle une installation de refroidissement 5 est associée à chaque module thermoélectrique 4 ; cette installation de refroidissement couvre complètement la surface à refroidir du module 5 thermoélectrique. En outre les canaux d'écoulement 3 sont réalisés différemment ; dans la présente réalisation ils comportent en plus des tôles conductrices de chaleur 9 dans le volume d'écoulement traversé par les gaz d'échappement. Les tôles conductrices de chaleur 9 sont de préférence fabriquées également en acier inoxydable pour offrir la bonne 10 tenue en température et à la corrosion. Ce choix du matériau selon la présente invention est rendu possible principalement par ce que les ponts thermiques entre les gaz d'échappement chauds et l'élément thermoélectrique sont très courts. La figure 3c montre de nouveau schématiquement la réalisation de la figure 3b. A la différence de la va- 15 riante de la figure 3b toutefois la structure comporte des installations de refroidissement 5 individuelles pour chaque module thermoélectrique 4 ; ces installations sont représentées sans les tôles conductrices de chaleur 9 à l'intérieur dans les canaux d'écoulement 3. REVENDICATIONS1 °) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement (1) pour un générateur thermoélectrique comportant au moins un élément central (2) pour le passage des gaz d'échappement avec au moins deux canaux d'écoulement (3) dirigés radialement et au moins un module thermoélectrique (4) ainsi qu'au moins une installation de refroidissement (5), caractérisé en ce que - le module thermoélectrique (4) est prévu sur une partie de la surface d'un canal d'écoulement (3) de l'élément central (2) à l'opposé du côté sur lequel passent les gaz d'échappement, et - l'installation de refroidissement (5) est appliquée à plat contre le module thermoélectrique (4) de façon à couvrir la surface du module thermoélectrique (4) à l'opposé du canal d'écoulement (3) de l'unité centrale (2). 2°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de refroidissement (5) est réalisée sous la forme des tôles de conduite de chaleur (8) ou d'organes de refroidissement balayés par un liquide. 3°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs canaux d'écoulement (3) sont disposés dans la direction radiale sous la forme d'une étoile et sont traversés axialement par les gaz d'échappement. 4°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément central (2) est en un matériau très stable à température élevée et résistant aux gaz d'échappement.35 12 5°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé par des tôles conductrices de chaleur (9) dans les canaux d'écoulement (3). 6°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par une installation de refroidissement (5), commune à deux modules thermoélectriques (4), voisins. 7°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par 15 une installation de refroidissement (5) sur chaque module thermoélectrique (4). 8°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que les différents éléments à savoir l'unité centrale (2), le module thermoélectrique (4) et l'unité de refroidissement (5) sont bloqués par un collier périphérique (6). 25 9°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par une pâte thermoconductrice entre les surfaces échangeant de la chaleur des canaux d'écoulement (3), du module thermoélectrique (4) et de l'ins-30 tallation de refroidissement (5). 10°) Echangeur de chaleur de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que 2013 les canaux d'écoulement (3), dirigés radialement et appartenant à l'unité centrale (2) se terminent en pointe à l'extérieur. 11 °) Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur de gaz 5 d'échappement pour un générateur thermoélectrique, caractérisé par les étapes suivantes : a) réalisation d'une unité centrale (2) traversée dans la direction axiale par les gaz d'échappement et ayant au moins deux canaux d'écoulement (3) dirigés radialement, 10 b) application d'au moins un module thermoélectrique (4) sur une sur-face partielle d'un canal d'écoulement (3), du côté opposé à celui des gaz d'échappement, et c) application d'une installation de refroidissement (5) sur la surface d'un module thermoélectrique (4) non tournée vers le canal 15 d'écoulement (3). 12°) Application d'un échangeur de chaleur de gaz d'échappement selon au moins l'une des revendications 1 à 10 ou d'un procédé selon la revendication 11 à un véhicule automobile ou à une centrale électrique. 25