Brevet FR2967243A1 — publié le 20120511

Dispositif réfrigérant à effet Peltier Domaine technique et état de l'art L'invention concerne un système réfrigérant, adapté pour être positionné de manière amovible sur un conduit dans lequel circulent des vapeurs à condenser. Un tel système réfrigérant peut notamment être utilisé en laboratoire pour condenser des vapeurs dans des opérations de chauffage à reflux pour accélérer ou permettre une réaction chimique sans perte de réactifs ou de produits, et pour limiter les émissions de solvants. L'opération dite de chauffage à reflux est un grand classique des manipulations de laboratoire de chimie, biologie ou d'analyses médicales tant dans le domaine éducatif que professionnel. La réalisation concrète d'une opération de chauffage à reflux nécessite une étape de condensation des vapeurs produites par le bloc chauffant, afin d'éviter tout effet de concentration des molécules dissoutes dans le liquide chauffé et pour limiter les émissions de solvant. La fonction de condensation est classiquement assurée par un système réfrigérant fixé sur une sortie du bloc chauffant constitué généralement d'un vase de réaction (par exemple un verre-ballon) associé à un dispositif de chauffage. Le système réfrigérant est généralement un tube à double paroi alimenté, le plus souvent en boucle ouverte, par de l'eau provenant du réseau d'eau potable (eau du robinet). Pour les composés volatils, la température de l'eau du robinet est souvent trop élevée pour assurer une condensation efficace et un cryostat est nécessaire pour assurer une température de l'eau circulant dans la double paroi plus basse. Ces deux options (circuit d'eau du robinet en circulation ouverte ou circuit d'eau en boucle fermée avec refroidissement par un cryostat) conduisent à des dispositifs de réfrigération soit fortement consommateurs d'eau pour le premier cas, soit complexes et onéreux en équipement pour le deuxième cas (nécessité d'investir dans un cryostat, une pompe de circulation...). Par ailleurs, ces deux options présentent les difficultés liées à l'utilisation d'un liquide en circulation (risque de fuites, développement d'algues ou contamination bactérienne, encrassement...).30 Description de l'invention L'invention propose un nouveau système réfrigérant, particulièrement bien adapté pour la réalisation d'une opération de reflux, et ne présentant pas tout ou partie des inconvénients des dispositifs réfrigérants connus. Ainsi l'invention propose un système réfrigérant, adapté pour être positionné de manière amovible sur un conduit dans lequel circulent des vapeurs à condenser, par exemple des vapeurs issues d'un bloc chauffant de laboratoire. Le système réfrigérant comprend : - un dispositif thermoélectrique présentant un évidement débouchant dans lequel peut être inséré le conduit à refroidir, une surface interne de l'évidement formant une surface froide du dispositif thermoélectrique, et - un module de commande pour fournir au dispositif thermoélectrique un courant électrique fonction d'une température souhaitée sur la surface froide du dispositif thermoélectrique. Le dispositif thermoélectrique est un dispositif adapté pour produire à partir d'un courant électrique une différence de température entre une surface froide et une surface chaude du dispositif. Ainsi, à partir du courant fourni, le système selon l'invention va refroidir la surface interne de l'évidement et donc tout conduit positionné à l'intérieur de l'évidement. Dans le système de refroidissement selon l'invention, un conduit d'évacuation des vapeurs peut sans difficulté être positionné à l'intérieur de l'évidement. Le système selon l'invention peut ainsi être utilisé facilement sur un tube, en verre ou autre, fixé sur une sortie d'un vase de réaction de laboratoire par exemple. Lorsqu'elles montent dans le conduit et arrivent au niveau du système de réfrigération, les vapeurs montant du vase de réaction se condensent et retombent dans le vase. Le système selon l'invention ne consomme pas d'eau et seulement une faible quantité d'énergie électrique. De plus, pour refroidir un conduit de petite taille, par exemple un tube en verre de diamètre 1 à 3 cm, un dispositif thermoélectrique de petite puissance, de l'ordre de 10 à 30 Watt suffit. Un tel dispositif thermoélectrique étant de petite taille, le système selon l'invention est de petite taille et de poids réduit également, de sorte que le système est portable et peut très facilement être déplacé d'une installation à l'autre, d'un lieu à un autre. Dans un mode de réalisation, le dispositif thermoélectrique comprend un module Peltier en forme de tube creux, une surface interne du tube creux formant une 2 surface froide du module Peltier. Dans ce cas, la forme particulière du module Peltier lui permet de s'adapter aisément sur le conduit d'évacuation des vapeurs et permet d'obtenir une efficacité maximale du système réfrigérant. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif thermoélectrique comprend N modules Peltier présentant chacun une face froide sensiblement plane, les N modules Peltier étant associés pour former ensemble un tube creux présentant un évidement à surface interne froide. Le nombre de modules Peltier est choisi en fonction de la forme de la section du conduit contenant les vapeurs, par exemple 4 modules pour un conduit de section carrée, 6 modules ou plus pour un conduit de section circulaire, etc. La réalisation du dispositif thermoélectrique est ainsi optimisée pour que le conduit épouse au mieux la forme de l'évidement. Dans un autre mode de réalisation encore, le dispositif thermoélectrique comprend : - un organe de liaison en forme de bague, présentant un évidement débouchant dans lequel peut être inséré le conduit à refroidir, - N modules Peltier fixés sur une surface externe de la bague. L'organe de contact permet de faire l'interface entre le conduit à refroidir et le ou les modules Peltier. L'organe de contact est réalisé en un matériau bon conducteur thermique, par exemple l'aluminium. Il est percé d'un évidement débouchant (d'où sa forme de bague) dont la surface interne est adaptée à celle du conduit à refroidir. Il permet de réaliser un système de refroidissement peu cher en utilisant des modules Peltier plans, qui sont largement disponibles à moindre coût dans le commerce. Dans un mode de réalisation, le dispositif thermoélectrique est réalisé en deux parties qui, associées par un moyen d'articulation, par exemple une charnière, et mobiles entre une position fermée où les deux parties ont ensemble une forme générale présentant un évidement débouchant dans lequel peut être positionné le conduit à refroidir, et une position ouverte permettant le passage du conduit à refroidir. Le système réfrigérant peut ainsi être facilement installé sur le tube à refroidir, y compris dans des conditions difficiles, par exemple si le tube présente des sections d'extrémités plus importantes que les sections du corps du tube à refroidir ou si les extrémités sur tube sont difficilement accessibles. Si nécessaire, le système selon l'invention peut également comprendre un dispositif pour évacuer une chaleur au voisinage d'une surface chaude du dispositif thermoélectrique, par exemple un radiateur, éventuellement ventilé. Si, dans le système réfrigérant, le dispositif thermoélectrique comprend N modules Peltier présentant chacun une surface froide, le dispositif d'évacuation de la chaleur peut comprendre N radiateurs ayant chacun une forme adaptée pour être en contact avec la surface chaude d'un module Peltier. Dans une variante également, le système de refroidissement peut comprendre plusieurs dispositifs thermoélectriques, positionnés les uns à côté des autres de sorte que l'ensemble ait la forme générale d'un tube creux adapté pour être positionné le long du conduit contenant les vapeurs à condenser. Dans une variante encore, le système selon l'invention peut comprendre plusieurs dispositifs thermoélectriques associés de sorte que les évidements de tous les dispositifs thermoélectriques soient dans le prolongement l'un de l'autre. Il est ainsi possible de refroidir le conduit sur une plus grande longueur et / ou à une température plus basse et / ou d'appliquer un gradient de température le long du conduit. Le dispositif de commande fournit un courant électrique fonction de la température souhaitée et / ou du nombre de dispositifs thermoélectriques et / ou du nombre de modules Peltier par dispositif thermoélectrique, comme on le verra mieux plus loin. Par exemple, si le dispositif thermoélectrique comprend N modules Peltier, le module de commande peut être adapté pour fournir un courant électrique à un nombre de modules Peltier fonction d'une température souhaitée sur la surface interne du dispositif thermoélectrique. Dans un autre exemple d'un système réfrigérant comprenant plusieurs dispositifs thermoélectriques, le dispositif de commande peut être adapté pour fournir à chaque dispositif thermoélectrique un courant électrique fonction d'une température souhaitée sur la surface interne du dit dispositif thermoélectrique, le courant électrique fourni pouvant être différent d'un dispositif thermoélectrique à l'autre. Enfin, dans une version préférée de l'invention, le module de commande et le ou les dispositifs thermoélectriques sont regroupés dans un même boîtier ou dans deux demi-boîtiers associés par un moyen d'articulation pour former un boîtier, dans lequel le boîtier comprend un évidement débouchant dont une forme est adaptée à la forme du conduit, et dans lequel le boîtier est adapté pour que la surface interne du dispositif thermoélectrique vienne en contact sur le conduit lorsque le dispositif réfrigérant est positionné sur le conduit. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation de dispositifs réfrigérants selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels les figures 1 à 8 montrent des éléments susceptibles d'être utilisés pour la mise en oeuvre d'un système selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention Les éléments essentiels de l'invention sont des modules Peltier qui transforment un courant électrique en une différence de température. Chaque module comprend une surface froide et une surface chaude, et transfère une énergie disponible au voisinage de la surface froide vers la surface chaude. Dans des conditions de rendement optimales, un tel module Peltier consomme un courant d'environ 2 Ampère sous une tension de 12 V, pour évacuer une énergie de l'ordre de 0.5 à 1 Joule. Un système réfrigérant selon l'invention est adapté pour être positionné de manière amovible sur un conduit dans lequel des vapeurs circulent, par exemple un tube 41 de sortie d'un récipient de chauffage de liquide (non représenté), tel qu'un verre-ballon. Le système réfrigérant comprend : - un dispositif thermoélectrique en forme de tube creux 10, 11, 15 comprenant une surface interne froide dont une forme est adaptée à une forme du conduit et - un module de commande 47 pour fournir un courant électrique au dispositif thermoélectrique. Les figures 1 à 3 montrent différents modes d'association de modules Peltier pour former le dispositif thermoélectrique d'un système refroidissant selon l'invention. Dans l'exemple de la figure 1, le dispositif thermoélectrique comprend un unique module Peltier en forme de tube creux 10 dont la surface interne correspondant à la face froide du module Peltier. Dans l'exemple de la figure 2, le dispositif thermoélectrique 11 comprend N = 4 modules Peltier 12 présentant chacun une face froide et une face chaude. Les modules Peltier sont associés pour former ensemble un tube creux dont la surface interne froide est adaptée à un conduit de section carrée. Dans l'exemple de la figure 3, le dispositif thermoélectrique 15 comprend N = 10 à 20 modules Peltier 16 associés pour former un tube creux dont une section comprend N côtés. Plus N est important, plus la section du tube creux se rapproche d'une forme circulaire. Les modules Peltier peuvent être associés les uns aux autres par un ruban adhésif par exemple, ou par l'intermédiaire d'une structure plus rigide. La figure 4 montre un dispositif thermoélectrique comprenant N=2 modules Peltier 43, 44 associés par l'intermédiaire d'un organe de liaison en forme de bague 42. La bague a dans l'exemple représenté une forme extérieure sensiblement parallélépipédique et est percée d'un évidement débouchant dont la paroi forme la surface interne du dispositif thermoélectrique. La bague est réalisée en aluminium, matériau bon conducteur thermique. Les N = 2 modules Peltier sont plans et sont fixés sur deux côtés opposés de la bague parallèles à un axe longitudinal de l'évidement. Dans une variante, deux autres modules Peltier peuvent être ajoutés sur les deux autres côtés de la bague. Dans une variante également, les côtés externes de la bague non recouverts par un module Peltier sont recouverts d'un revêtement isolant thermique. Ainsi les modules Peltier refroidissent uniquement la bague et dissipent uniquement l'énergie apportée sur la paroi de l'évidement par le conduit à refroidir. Dans l'exemple de la figure 4 également, un radiateur ventilé 45, 46 est fixé sur la surface chaude de chacun des modules Peltier pour évacuer la chaleur vers l'extérieur. En fonction de la chaleur à dissiper, le ou les radiateurs ventilés peuvent être remplacés par tout autre moyen approprié pour évacuer la chaleur, par exemple par un radiateur simple. Dans l'exemple de la figure 4 encore, le module de commande 47 fournit un courant à un nombre de modules Peltier fonction de la température souhaitée. Ainsi, plus le nombre de modules Peltier alimentés en courant est important, plus la température peut être abaissée sur la surface froide du ou des dispositifs thermoélectriques. De préférence, le courant fourni à chaque module Peltier est choisi de sorte que le dit module fonctionne à son rendement maximum. A titre indicatif, les deux modules Peltier de 40 mm par 40 mm, alimentés en série par un courant de 2 Ampère sous 12 Volt, permettent d'obtenir une température de l'ordre de 0°C sur leur face froide, lorsque le module est à température ambiante. Par railleurs, la petite taille des modules Peltier permet de réaliser un système de réfrigération de petite taille, de dimensions de l'ordre d'une dizaine de centimètres, et de poids réduit, de l'ordre de quelques centaines de grammes. Le système peut ainsi être facilement installé sur n'importe quel conduit, et être facilement transportable d'un conduit à l'autre et d'un lieu à un autre. Dans l'exemple de la figure 5, le système comprend deux dispositifs thermoélectriques 51, 52 associés mécaniquement de sorte à former ensemble un évidement débouchant. Le dispositif de commande est ici adapté pour fournir à chaque dispositif thermoélectrique un courant différent de sorte que la surface froide des dispositifs thermoélectriques est différente. Ceci permet d'obtenir un gradient de température le long du tube creux. Enfin, un système de réfrigération selon l'invention comprend un boîtier dans lequel sont regroupés le module de commande et le ou les dispositifs thermoélectriques. Le boîtier peut être réalisé en une seule partie 61 (figure 6) ou en deux parties 71, 72 assemblées par un moyen d'articulation tel qu'une charnière 73 (figure 7). Le boîtier comprend un évidement débouchant dont une forme est adaptée à la forme du conduit. Et le boîtier est adapté pour que la surface interne du ou des dispositifs thermoélectriques vienne en contact sur le conduit lorsque le système réfrigérant est positionné sur le conduit. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du système de refroidissement peut être fournie au module de commande soit par une batterie, soit par un réseau de distribution d'énergie électrique, par l'intermédiaire d'un transformateur de courant si nécessaire. REVENDICATIONS1. Système réfrigérant, adapté pour être positionné de manière amovible sur un conduit dans lequel circulent des vapeurs à condenser, le dit système réfrigérant comprenant : - un dispositif thermoélectrique (10, 11, 15) présentant un évidement débouchant dans lequel peut être inséré le conduit à refroidir, une surface interne de l'évidement formant une surface froide du dispositif thermoélectrique et - un module de commande (47) pour fournir au dispositif thermoélectrique un courant électrique fonction d'une température souhaitée sur la surface froide du dispositif thermoélectrique. 2. Système réfrigérant selon la revendication 1, dans lequel le dispositif thermoélectrique comprend un module Peltier en forme de tube creux (10), une surface interne du tube creux étant une surface froide du module Peltier. 3. Système réfrigérant selon la revendication 1, dans lequel le dispositif thermoélectrique (11, 15) comprend N modules Peltier (12, 16) présentant une surface froide sensiblement plane, les N modules Peltier étant associés pour former ensemble un tube creux présentant un évidement à surface interne froide. 4. Système réfrigérant selon la revendication 1 dans lequel le dispositif thermoélectrique comprend : - un organe de liaison en forme de bague (42), présentant un évidement débouchant dans lequel peut être inséré le conduit à refroidir, - N modules Peltier (43, 44) fixés sur une surface externe de la bague. 5. Système réfrigérant selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif thermoélectrique est réalisé en deux parties associées par un moyen d'articulation, par exemple une charnière, et mobiles entre une position fermée où les deux parties ont ensemble une forme générale présentant un évidement débouchant dans lequel peut être positionné le conduit à refroidir, et une position ouverte permettant le passage du conduit à refroidir. 6. Système réfrigérant selon l'une des revendications précédentes comprenant également un dispositif (45, 46) pour évacuer une chaleur au voisinage d'une surface chaude du dispositif thermoélectrique. 7. Système réfrigérant selon la revendication 6, dans lequel : - le dispositif thermoélectrique comprend N modules Peltier présentant chacun une surface froide, - le dispositif d'évacuation de la chaleur comprend N radiateurs (45, 46) ayant chacun une forme adaptée pour être en contact avec la surface chaude d'un module Peltier. 8. Système réfrigérant selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif thermoélectrique comprend N modules Peltier et dans lequel le module de commande est adapté pour fournir un courant électrique à un nombre de modules Peltier fonction d'une température souhaitée sur la surface interne du dispositif thermoélectrique. 9. Système réfrigérant selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant plusieurs dispositifs thermoélectriques, et dans lequel le dispositif de commande est adapté pour fournir à chaque dispositif thermoélectrique un courant électrique fonction d'une température souhaitée sur la surface interne du dit dispositif thermoélectrique, le courant électrique fourni pouvant être différent d'un dispositif thermoélectrique à l'autre. 10. Système réfrigérant selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le module de commande et le ou les dispositifs thermoélectriques sont regroupés dans un même boîtier, ou dans deux demi-boîtiers associés par un moyen d'articulation pour former un boîtier, dans lequel le boîtier comprend un évidement débouchant dont une forme est adaptée à la forme du conduit à refroidir, et dans lequel le boîtier est adapté pour que la surface interne du dispositif thermoélectrique vienne entourer le conduit à refroidir lorsque le système réfrigérant est positionné sur le conduit.