Brevet FR3031838A1 — publié le 20160722

Générateur thermoélectrique et module thermique pour un tel générateur L'invention concerne un générateur thermoélectrique et un module thermique comprenant un tel générateur. Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des modules thermiques utilisant des éléments thermoélectriques permettant de produire un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées selon le phénomène connu sous le nom d'effet Seebeck. Ces modules comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement d'un moteur, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermoélectriques sont pris en sandwich entre les tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement, chauds, et le fluide de refroidissement, froid. De tels modules sont particulièrement intéressants car ils permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Ils offrent ainsi la possibilité de réduire la consommation en carburant du véhicule en venant se substituer, au moins partiellement, à l'alternateur habituellement prévu dans celui-ci pour générer de l'électricité à partir d'une courroie entrainée par le vilebrequin du moteur. Il a déjà été développé par la titulaire des éléments thermoélectriques de forme annulaire, le gradient de température permettant de générer le courant électrique étant imposé entre deux de leurs faces cylindriques internes et externes. Le fluide chaud et le fluide froid circulent alors coaxialement, l'un circulant à l'intérieur de l'anneau et l'autre à l'extérieur. Cela présente cependant des difficultés d'intégration quand il s'agit d'optimiser les performances des générateurs. L'invention se propose de pallier ces inconvénients et concerne, à cette fin, un générateur thermoélectrique comprenant au moins un module thermique, ledit module thermique comprenant des éléments thermoélectriques se présentant sous une forme annulaire de sorte à former un ensemble thermoélectrique sensiblement cylindrique lorsqu'ils sont agencés côte à côte, ledit module thermique étant composé d'au moins un ensemble thermoélectrique et d'une enveloppe de guidage configurée de manière à conduire un premier fluide à épouser le contour externe du ou desdits éléments thermoélectriques. Selon l'invention, ledit générateur comprend une pluralité desdits modules thermoélectriques agencés, en particulier radialement, autour d'un axe principal, dit axe du générateur. Le module thermique de l'invention présente une enveloppe de guidage assurant la conduction d'une lame de fluide au plus près des éléments thermoélectriques qui le compose. Ceci permet de favoriser un bon échange thermique entre ceux-ci. De plus, la disposition des modules autorise une circulation du premier fluide en parallèle autour de ceux-ci, plutôt qu'en série, ce qui favorise les performances de façon supplémentaire, tout en limitant l'encombrement. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - lesdits modules forment une couronne autour dudit axe du générateur, - ledit module comprend deux desdits ensembles thermoélectriques, - ladite enveloppe présente une entrée et une sortie pour ledit premier fluide, ladite entrée et/ou ladite sortie étant formée d'une fente allongée, - ladite enveloppe comprend des logements cylindriques, chaque logement accueillant l'un desdits ensembles, - lesdits logements sont disposés tangentiellement les uns aux autres, - ladite entrée et ladite sortie sont sensiblement situées au niveau d'un plan de symétrie commun desdits logements, - lesdits éléments thermoélectriques sont munis d'ailettes externes, - ledit ensemble est configuré de manière à ce que le premier fluide forme une source de chaleur, chaude, d'un gradient de température, - ledit générateur thermoélectrique comprend, en outre, un conduit configuré pour faire circuler ledit premier fluide le long dudit axe du générateur, ledit conduit présentant une zone de communication, dite zone de contact, avec les enveloppes de guidage desdits modules thermiques, ladite zone de contact permettant le passage dudit premier fluide dudit conduit auxdites enveloppes, en particulier selon une direction transversale à la direction d'écoulement dudit premier fluide dans ledit conduit, - ledit générateur thermoélectrique comprend, en outre, un collecteur pour le premier fluide en sortie desdites enveloppes, ledit collecteur débouchant en aval de ladite zone de contact, - ledit générateur thermoélectrique comprend, en outre, un circuit apte à faire circuler un second fluide à l'intérieur des éléments thermoélectriques, ledit second fluide formant une seconde source de chaleur, - ledit générateur thermoélectrique comprend, en outre, un dispositif de contrôle de débit configuré pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers ledit générateur thermoélectrique, - ledit dispositif de contrôle de débit est une vanne, - ledit générateur thermoélectrique est configuré pour être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide. L'invention concerne aussi un module thermique pour un générateur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue isométrique d'un exemple de réalisation d'un ensemble thermoélectrique selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique, en coupe transversale, d'un exemple de réalisation d'un module thermoélectrique selon l'invention, - la figure 3 est une vue isométrique d'un exemple d'agencement radial de modules thermoélectriques, - la figure 4 est une vue isométrique d'un exemple de réalisation d'un conduit selon l'invention, ledit conduit présentant des zones destinées au contact avec lesdits modules thermiques, - la figure 5 est une vue isométrique d'un exemple de réalisation d'un générateur thermoélectrique selon l'invention lorsqu'il est positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile, - la figure 6 est une représentation schématique, en coupe longitudinale, de l'exemple illustré à la figure 5, ladite figure 6 représentant un exemple de réalisation d'un dispositif de contrôle de débit selon l'invention, en position ouverte, - la figure 7 est la même figure que la figure 6, le dispositif de contrôle de débit étant en position fermée. Comme illustré sur les figures, l'invention concerne un générateur thermoélectrique 10, ledit générateur 10 comprenant au moins un module thermique 20, ledit module thermique 20 comprenant des éléments thermoélectriques 21. Sur la figure 1, lesdits éléments thermoélectriques 21 se présentent sous une forme annulaire. Agencés côte à côte, ils forment un ensemble thermoélectrique 22 sensiblement cylindrique. Avantageusement, ledit ensemble thermoélectrique 22 est un cylindre creux, centré sur un axe référencé X. Cela permet la circulation d'un premier fluide à l'extérieur dudit cylindre et d'un second fluide, à l'intérieur. Lesdits éléments thermoélectriques 21 sont configurés pour produire un courant électrique à partir d'un gradient de température existant entre une première et une seconde sources de chaleur. Plus précisément, l'ensemble thermoélectrique 22 comprend une pluralité d'éléments thermoélectrique 21, ici de formes annulaires, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de leur faces, l'une dite première face active, étant définie par une surface de périphérie extérieure, cylindrique, et l'autre, dite seconde face active, étant définie par une surface de périphérie intérieure, cylindrique. Lesdites première et seconde faces sont, par exemple, de section circulaire. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible. De tels éléments 21 fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de matériau basse température, comme les alliages Tellurures de Bismuth et d'Antimoine (Bi,Sb)Te3; ou de matériau haute température, comme les Siliciures de Magnesium et d'Etain Mg2(Si,Sn) ou de Manganèse (MnSi). Les éléments thermoélectriques 21 pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Les éléments thermoélectriques 21 sont de préférence constitués d'un anneau en seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau. La première surface présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la seconde surface. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ 2 fois celui de seconde surface. Les éléments thermoélectriques 21 présentent, par exemple, deux faces planes parallèles opposées, dites aussi faces latérales. Autrement dit, l'anneau constituant chaque élément thermoélectrique 21 est de section annulaire rectangulaire. Sur la figure 1, lesdits éléments thermoélectriques 21 sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale ; ils alternent entre éléments P et éléments N selon une direction repérée X. Ils sont, notamment, de forme et de dimension identiques. Ils pourront cependant présenter une épaisseur, c'est-à-dire une dimension entre leurs deux faces planes, différente d'un type à l'autre, notamment en fonction de leur conductivité électrique. Lesdits éléments thermoélectriques 21 sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermoélectrique de type P et d'un dit élément thermoélectrique de type N, et ledit ensemble thermoélectrique 22 est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermoélectriques d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermoélectriques 21 de ladite même paire et l'élément thermoélectrique 21 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermoélectriques 21 disposés les uns à côtés des autres selon la direction X. A nouveau pour faciliter la configuration des circuits de circulation de fluide on pourra prévoir que lesdits éléments thermoélectriques 21 soient disposés les uns par rapport aux autres de façon à ce que leur première et/ou seconde face active soient dans le prolongement l'une de l'autre. Lesdites première et/ou seconde faces actives sont ainsi inscrites, par exemple, dans une surface générée par une droite. Pour la circulation des fluides, il pourra être prévu un tube permettant la circulation de liquide froid au contact de ladite seconde face active desdits éléments thermoélectriques 21. Le ou lesdits tubes de circulation de liquide froid sont visibles sur la figure 5. Ils sont, par exemple, de section circulaire. Ledit ensemble thermoélectrique 22 pourra, en outre, comprendre des connecteurs entre les premier et deuxième éléments thermoélectriques. Par exemple, le long de la direction X, un connecteur d'un premier type est systématiquement prévu entre un élément thermoélectrique de type N et un élément thermoélectrique de type P. Un connecteur d'un second type, est lui systématiquement prévu entre un élément thermoélectrique de type P et un élément thermoélectrique de type N. Lesdits connecteurs différent par leur diamètre. Ainsi, le connecteur prévu entre un élément thermoélectrique de type N et un élément thermoélectrique de type 5 P sera d'un diamètre inférieur au connecteur prévu entre ledit élément thermoélectrique de type P et l'élément thermoélectrique de type N suivant. Autrement dit, pour l'ensemble thermoélectrique 22, deux jeux de connecteurs de tailles différentes sont nécessaires. Un premier pour la liaison électrique côté source froide et un second, de diamètre supérieur, pour le côté 10 source chaude. La figure 2 illustre schématiquement le module thermique 20 de l'invention qui est composé d'au moins un ensemble thermoélectrique 22 et d'une enveloppe de guidage 25 configurée de manière à conduire ledit premier fluide à épouser le 15 contour externe du ou desdits éléments thermoélectriques 21. Les flèches de la figure illustrent un tel guidage, selon une lame de fluide de faible épaisseur relativement au diamètre des éléments thermoélectriques 21. Ici, ledit module 20 comprend deux desdits ensembles thermoélectriques 22, 22', chacun formant un cylindre creux centré sur l'axe X, X'. Ici encore, ladite 20 enveloppe de guidage 25 comprend des logements cylindriques 24, 24'; chacun d'entre eux accueillant l'un desdits ensembles 22, 22'. Ladite enveloppe 25 présente, en outre, une entrée E et une sortie S pour le premier fluide. Ladite entrée E et ladite sortie S sont avantageusement formées d'une fente allongée afin d'optimiser le passage dudit premier fluide au travers (voir aussi la figure 3 pour une représentation 25 isométrique desdites de fentes). Les ensembles thermoélectriques 22 sont ici identiques constitués de matériau haute température. Selon une variante de réalisation non représentée, les ensembles thermoélectriques 22 sont identiques et constitués de matériau basse température. Selon un autre mode de réalisation, les deux ensembles thermoélectriques sont différents. Un premier ensemble 30 thermoélectrique, proche de la tubulure centrale est constitué de matériau haute température (Siliciures) et le deuxième est constitué de matériau basse température (Tellurures). Lesdits logements 24, 24' sont, de préférence, disposés tangentiellement les uns aux autres, de sorte qu'ils présentent un passage de l'un à l'autre formé au niveau d'une portion commune de leur périphérie. Lesdits logements 24, 24', centrés respectivement sur leur axe X et X', forment un plan de symétrie, dit plan de symétrie commun, passant par lesdits deux axes X, X'. Ladite entrée E et ladite sortie S sont, de préférence, aussi situées dans ce 5 plan de symétrie commun. Il est à noter que l'épaisseur de la lame de premier fluide ménagée entre les éléments thermoélectriques 21 et l'enveloppe de guidage 25 est par exemple inférieur au tiers, voire au quart, voire au cinquième, du rayon du cylindre formé par 10 ledit ensemble thermoélectrique 22, 22'. Il est à noter aussi que lesdits éléments thermoélectriques 21 pourront avantageusement être munis d'ailettes externes afin de faciliter les échanges de chaleurs avec le premier fluide qui circule à l'extérieur desdits éléments 21. 15 Selon l'invention, ledit générateur thermoélectrique 10 comprend une pluralité desdits modules thermoélectriques 20 agencés, avantageusement radialement, autour d'un axe principal, dit axe du générateur, et référencé Y par la suite (voir figure 3). Ils forment de la sorte une couronne autour de l'axe Y. 20 La figure 3 illustre aussi les entrées E et sorties S desdits modules thermiques 20, lesdites entrées E étant situées proches dudit axe Y et les sorties étant plus éloignées dudit axe Y, par comparaison. Lesdites entrées E forment ainsi un anneau interne configuré pour faire circuler ledit premier fluide le long dudit axe Y 25 du générateur 10. Ledit anneau interne est une zone de communication, dite zone de contact qui est matérialisée par un conduit 30. La figure 4 illustre un exemple de réalisation dudit conduit 30. Il présente une 30 forme sensiblement cylindrique, destinée à épouser la forme annulaire dessinée par lesdites entrées E. Ledit conduit 30 présente en outre une pluralité de lumières 31 agencées radialement sur son pourtour, lesdites lumières 31 étant réalisées sous la forme de fentes allongées afin de coopérer avec lesdites entrées E desdites 303 183 8 9 enveloppes 25. Cela permet de faire passer le premier fluide entre ledit conduit 30 et l'entrée E desdites enveloppes 25. Autrement dit, le conduit 30 est sensiblement cylindrique et il présente des orifices sensiblement rectangulaires, les lumières 31, distribués radialement pour permettre une connexion optimale aux modules thermiques 20. D'autre part, ledit générateur thermoélectrique 10 comprend un collecteur 32 pour le premier fluide en sortie desdites modules thermiques 20. Ledit collecteur 32 est visible sur les figures 5 à 7. Ledit collecteur 32 est illustré débouchant en aval de ladite zone de contact, comme cela est mieux visible sur la figure 7. Le fait que le collecteur 32 débouche en aval de ladite zone de contact permet l'échappement du premier fluide vers l'extérieur. Plus précisément, comme cela est schématisé par des flèches sur la figure 7, le premier fluide est forcé de s'écouler transversalement à l'axe Y par un dispositif de contrôle de débit 50. Le premier fluide est alors conduit vers les modules thermiques 20, en direction des sorties S desdits modules 20. Le premier fluide se trouve alors guidé par les parois internes du collecteur 32, lesdites parois internes agissant alors comme un carter de guidage dudit premier fluide, en aval de ladite zone de contact et dudit dispositif de contrôle de débit 50. Comme illustré sur ladite figure 5, ledit générateur thermoélectrique 10 comprend, en outre, un circuit 40 apte à faire circuler ledit second fluide à l'intérieur des éléments thermoélectriques 21. Ledit circuit 40 présente une entrée 41 et une sortie 42 pour ledit second fluide. Les figures 6 et 7 illustrent la circulation dudit second fluide à l'intérieur des ensembles thermoélectriques 22, 22'. L'entrée du second fluide se fait par l'entrée 41; ledit second fluide circule, grâce au circuit 40, à l'intérieur des ensembles thermoélectriques 22, 22' des modules 20. Il ressort dudit circuit 40 par la sortie 42. Plus précisément, le second fluide circule à l'intérieur des ensembles thermoélectriques 22, 22' via les tubes visibles sur la figure 5. Lesdits tubes permettent le guidage du second fluide dans les éléments thermoélectriques 21. Lesdits tubes débouchent, en outre, dans une partie du circuit 40 qui présente une 303 183 8 10 forme annulaire pour distribuer/collecter le second fluide en direction/en provenance des tubes. Il est à noter que le circuit 40 permettant la circulation du second fluide à 5 l'intérieur desdits ensembles thermoélectriques 22, 22' est indépendant de celui permettant la circulation du premier fluide sur le contour externe desdits éléments thermoélectriques 21. Avantageusement, ici, le premier fluide est une source chaude et le second 10 fluide est une source froide, par comparaison. La figure 6 illustre, en outre, le dispositif de contrôle de débit 50 configuré pour être positionné à l'intérieur dudit générateur 10 de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers ledit générateur thermoélectrique 10. Ce 15 dispositif de contrôle de débit 50 est une vanne. Sur la figure 6, ladite vanne 50 est illustrée en position ouverte. Ladite vanne 50 laisse donc passer le premier fluide sans le forcer à passer à travers les modules thermiques 20 répartis radialement autour de l'axe Y dudit générateur thermoélectrique 10. 20 La figure 7 illustre la vanne 50 en position fermée. Ledit premier fluide qui circule alors à l'intérieur du conduit 30 est forcé de passer à l'intérieur des modules thermiques 20. Plus précisément, ledit premier fluide entre par les entrées E desdits modules thermiques 20, vient lécher les périphéries 25 externes des ensembles thermoélectriques 22, puis 22', en suivant le guidage imposé par l'enveloppe 25 et sort du ou des modules thermiques 20, en destination du collecteur 32 qui le guide vers l'extérieur, ou encore vers l'échappement. Autrement dit, le conduit 30 est muni d'une vanne de dérivation 50 à l'une de ses extrémités et ladite vanne permet de forcer, en position fermée, un écoulement 30 radial du premier fluide vers les modules thermiques 20. En cas de perte de charge trop importante, cette vanne 50 peut être ouverte partiellement ou entièrement afin ne plus entraver la circulation rectiligne du premier fluide dans le conduit 30 (voir figure 6). Avantageusement, le générateur thermoélectrique 10 est configuré pour être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide. REVENDICATIONS1. Générateur thermoélectrique (10) comprenant au moins un module thermique (20), ledit module thermique (20) comprenant des éléments thermoélectriques (21) se présentant sous une forme annulaire de sorte à former un ensemble thermoélectrique (22) sensiblement cylindrique lorsqu'ils sont agencés côte à côte, ledit module thermique (20) étant composé d'au moins un ensemble thermoélectrique (22) et d'une enveloppe de guidage (25) configurée de manière à conduire un premier fluide à épouser le contour externe du ou desdits éléments thermoélectriques (21), ledit générateur (10) comprenant une pluralité desdits modules thermoélectriques (20) agencés autour d'un axe principal (Y), dit axe du générateur (Y). 2. Générateur thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit module (20) comprend deux desdits ensembles thermoélectriques (22). 3. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite enveloppe (25) présente une entrée (E) et une sortie (S) pour ledit premier fluide, ladite entrée (E) et/ou ladite sortie (S) étant formée d'une fente allongée. 4. Générateur thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel ladite enveloppe (25) comprend des logements cylindriques (24, 24'), chaque logement (24, 24') accueillant l'un desdits ensembles (22, 22'). 5. Générateur thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits logements (24, 24') sont disposés tangentiellement les uns aux autres. 6. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel ladite entrée (E) et ladite sortie (S) sont sensiblement situées au niveau d'un plan de symétrie commun desdits logements (24, 24'). 7. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits éléments thermoélectriques (21) sont munis d'ailettes externes. 8. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit ensemble (22) est configuré de manière à ce que le premier fluide forme une source de chaleur, chaude, d'un gradient de température. 9. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un conduit (30) configuré pour faire circuler ledit premier fluide le long dudit axe du générateur (Y), ledit conduit (30) présentant une zone de communication, dite zone de contact, avec les enveloppes de guidage (25) desdits modules thermiques (20), ladite zone de contact permettant le passage dudit premier fluide dudit conduit (30) auxdites enveloppes (25). 10.Générateur thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, comprenant en outre un collecteur (32) pour le premier fluide en sortie desdites enveloppes (25), ledit collecteur (32) débouchant en aval de ladite zone de contact. 11.Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un circuit (40) apte à faire circuler un second fluide à l'intérieur des éléments thermoélectriques (21), ledit second fluide formant une seconde source de chaleur. 12. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de contrôle de débit (50) configuré pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur (10) de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers ledit générateur thermoélectrique (10). 13.Générateur thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif de contrôle de débit (50) est une vanne (50). 14. Générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes configuré pour être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide. 15. Module thermique (20) pour un générateur thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.15