Brevet FR3048553A1 — publié le 20170908

Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des dispositifs thermoélectriques utilisant des éléments, dits thermoélectriques, permettant de générer 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 dispositifs sont aussi appelés générateurs thermoélectriques. Il est connu de positionner ces générateurs thermoélectriques dans une ligne d'échappement de véhicule automobile, voire dans le circuit de gaz d'échappement recirculés pour les véhicules automobiles présentant un tel circuit entre l'échappement et l'admission du moteur thermique. L'objectif est l'utilisation de la chaleur des gaz d'échappement des véhicules automobile pour générer de l'énergie électrique. Le traitement des gaz d'échappement est ensuite nécessaire, notamment pour éviter que ne soient largués des gaz toxiques à l'air libre. Ce traitement des gaz est une fonction distincte de celle de la génération d'énergie électrique par les générateurs évoqués ci-dessus. Un des buts de la présente invention consiste à proposer une solution permettant d'améliorer l'existant, notamment à l'aide d'une combinaison de fonctions 20 au sein d'un même ensemble. L'invention concerne un dispositif thermoélectrique comprenant une pluralité de modules thermoélectriques, lesdits modules comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique susceptible de générer un courant électrique sous l'action 25 d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, au contact d'une source froide d'une part, et d'une source chaude d'autre part, ledit dispositif comprenant un corps présentant une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules, ledit corps définissant en outre une cavité centrale dépourvue de module thermoélectrique. 30 Selon l'invention, ledit dispositif thermoélectrique comprend, en outre, un substrat catalytique disposé à l'intérieur de ladite cavité, ledit substrat étant conçu de manière à assurer une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide. 3048553 2 Le dispositif de l'invention est un dispositif thermoélectrique qui permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le traitement de composants toxiques d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de réaliser la conversion catalytique de 5 ces composants toxiques au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment à l'aide dudit substrat catalytique. Ainsi, le dispositif thermoélectrique de l'invention présente l'avantage d'améliorer les dispositifs thermoélectriques existant en proposant de combiner, au sein d'un même ensemble, deux fonctions techniques jusqu'alors distinctes. 10 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ledit premier fluide constitue ladite source chaude, - ledit substrat comprend une pluralité de pores chargés en éléments 15 chimiques pour assurer ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide, - lesdits éléments chimiques sont des molécules de métaux rares, - le corps présente une section sensiblement cylindrique, définissant ainsi, sur son pourtour, une couronne de logements pour lesdits modules, et, donnant à ladite cavité centrale une section sensiblement cylindrique, - le substrat est de section sensiblement cylindrique de manière à occuper la quasi-totalité de ladite cavité, - ledit substrat est un pain de matière poreuse, - ledit substrat est réalisé en matériau céramique, - lesdits modules sont maintenus dans lesdits logements par des surfaces d'échanges secondaires, dites ailettes, - les ailettes comprennent un revêtement catalytique de sorte à participer à ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide. L'invention concerne aussi, avantageusement, un générateur thermoélectrique comprenant un dispositif thermoélectrique tel que celui décrit ci-dessus. 3048553 3 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - le générateur thermoélectrique de l'invention comprend, en outre, un dispositif de contrôle de débit, 5 - ledit dispositif de contrôle de débit est positionné, dans le sens de circulation du premier fluide, en aval dudit substrat catalytique, - ledit dispositif de contrôle de débit comprend une vanne, ladite vanne comprenant un corps de vanne et un clapet, ledit clapet étant articulé par rapport au corps de vanne et étant apte à occuper une position ouverte et 10 une position fermée, ladite vanne étant configurée pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers lui, - le corps de vanne dudit dispositif de contrôle est confondu avec le corps dudit dispositif thermoélectrique, définissant ainsi une même cavité 15 centrale, dite conduit du générateur, - le générateur thermoélectrique de l'invention est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet occupe la position fermée, le premier fluide circule à travers les logements dudit dispositif thermoélectrique et, lorsque le clapet est en position ouverte, ledit premier fluide circule à 20 travers le conduit du générateur, - le générateur thermoélectrique de l'invention est destiné à être revêtu d'une enveloppe externe protectrice, dit boitier, de manière à être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent 25 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. 30 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. 3048553 4 Sur ces dessins : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un corps d'un dispositif thermoélectrique et d'un substrat catalytique selon l'invention, en vue de coupe transversale, 5 - la figure 2 est sensiblement la même illustration schématique qu'à la figure 1, les modules thermoélectriques en plus, - la figure 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un générateur thermoélectrique selon l'invention, en vue de coupe longitudinale, 10 - la figure 4 est un graphique illustrant un exemple de gestion d'un dispositif de contrôle de débit d'un générateur thermoélectrique selon l'invention. 15 Comme illustré sur la figure 2, l'invention concerne un dispositif thermoélectrique 10 comprenant une pluralité de modules thermoélectriques 20, lesdits modules 20 comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique 22 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, au contact d'une source froide F1 d'une 20 part, et d'une source chaude F2 d'autre part (voir figure 3). La figure 3 illustre schématiquement, en effet, un générateur thermoélectrique 12 selon l'invention, en particulier lorsqu'il est positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile. Les gaz d'échappement dudit véhicule automobile sont utilisés, ici, 25 comme source chaude F2 afin de générer un gradient de température avec la source froide F1. Lesdits modules 20 comprennent au moins un élément thermoélectrique 22, ici de forme annulaire. Assemblés coaxialement entre eux, ces éléments 30 thermoélectriques 22 forment les modules 20, autrement appelés crayons thermoélectriques 20 (voir figure 2). Lesdits éléments thermoélectriques 22 et, par la suite, lesdits crayons thermoélectriques 20, sont susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température. C'est pourquoi les crayons 3048553 5 thermoélectriques 20 comportent en leur centre des tubes 24 dans lesquels circule un fluide liquide de refroidissement qui agit comme source froide F1. Les modules thermoélectriques 20 comprennent donc au moins un élément thermoélectrique 22, ici une pluralité d'éléments thermoélectrique 22 de forme 5 annulaire, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, l'une, dite première face, étant définie par une surface de périphérie extérieure, cylindrique, et l'autre, dite seconde face, étant définie par une surface de périphérie intérieure, cylindrique. Lesdites première et seconde faces sont, par exemple, de section ovales 10 pour les premières et/ou circulaires pour les secondes. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible. De tels éléments 22 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 15 tels éléments 22 sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). Les éléments thermoélectriques 22 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, 20 permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température (voir figure 3). Les éléments thermoélectriques 22 sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau. 25 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 deux fois celui de seconde surface. Ledit élément thermoélectrique 22 présente, par exemple, deux faces planes parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermoélectrique 30 22 est de section annulaire rectangulaire. Le dispositif thermoélectrique 10 selon l'invention comprend un corps 30 présentant une pluralité de logements 32 destinés à accueillir lesdits modules 20 (voir figures 1 et 2). Ledit corps 30 définit en outre une cavité centrale 34 dépourvue 3048553 6 de module thermoélectrique 20. On entend par « cavité centrale », une zone creuse, sans matière, à l'intérieur de laquelle un fluide peut circuler sans obstacle. Selon l'invention, ledit dispositif thermoélectrique 10 comprend, en outre, un 5 substrat catalytique 40 disposé à l'intérieur de ladite cavité 34, ledit substrat 40 étant conçu de manière à assurer une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide. Ici, ledit premier fluide constitue la source chaude F2. Autrement dit, dans le 10 cadre de l'exemple illustré ici, la source chaude F2 provient des gaz d'échappement dudit véhicule automobile. Le substrat 40 a pour fonction le contrôle de l'émission des gaz d'échappement en sortie du véhicule automobile. 15 Ledit substrat 40 sera avantageusement un pain de matière extrudé, plus précisément un pain de matière poreuse. Plus précisément, ledit substrat 40 comprend une pluralité de pores chargés en éléments chimiques, en particulier pour assurer ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide F2. Lesdits éléments chimiques sont des 20 molécules de métaux rares, par exemple des molécules de Platine, Rhodium, Palladium. Ainsi, ledit substrat 40 sera avantageusement un pain de matière poreuse, réalisé en matériau céramique, voire en matériau métallique. Un tel substrat 40 sera chargé en molécules de métaux rares par une plongée dans un bain comprenant ce 25 type de métaux rares, puis par une étape de vaporisation de l'ensemble afin que les molécules de métaux rares restent piégées dans les pores dudit substrat 40. Lesdites molécules serviront pour les réactions catalytiques, notamment au contact des gaz d'échappement constituant la source chaude F2, lesdites réactions catalytiques permettant la dépollution desdits gaz d'échappement F2. 30 Comme illustré sur les figures 1 et 2, le corps 30 présente avantageusement une section sensiblement cylindrique, définissant ainsi, sur son pourtour, une couronne de logements 32 pour lesdits modules 20, et, donnant à ladite cavité centrale 34 une section sensiblement cylindrique. Autrement dit, ledit corps 30 est un 3048553 7 cylindre creux, qui s'étend le long d'une direction principale d'extension, dite direction principale et repérée X sur les figures 1 à 3, et dont la paroi est suffisamment épaisse pour que des logements 32, coaxiaux à ladite direction principale X, y soient prévus. 5 Le substrat 40 présentera avantageusement une forme lui permettant d'occuper la quasi-totalité de la cavité 34 dudit corps 30. Ainsi, dans l'exemple illustré ici, le substrat 40 présent une section sensiblement cylindrique. D'autre part lesdits modules 20 sont maintenus dans lesdits logements 32 10 par des surfaces d'échanges secondaires, dites ailettes 26 (voir figure 2). Ces ailettes 26 permettent aussi le centrage desdits modules 20 dans ces logements 32. Lesdites ailettes 26, par exemple obtenue en matériau métallique, comprendront avantageusement un revêtement catalytique de sorte à participer à ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide F2. 15 L'invention concerne aussi, avantageusement, un générateur thermoélectrique 12 comprenant un dispositif thermoélectrique 10 tel que celui décrit ci-dessus. Le générateur thermoélectrique de l'invention 12 pourra comprendre, en outre, un dispositif de contrôle de débit 14 (voir figure 3). 20 Comme illustré sur la figure 3, ledit dispositif de contrôle de débit 14 est positionné - dans le sens de circulation du premier fluide le long de la direction principale X - en aval dudit substrat catalytique 40. Ledit dispositif de contrôle de débit 14 a pour fonction de moduler le débit 25 desdits gaz d'échappement, ou source chaude F2, à travers ledit générateur 12. Autrement dit, sa fonction consiste à diriger le flux de la source chaude F2 au plus près des éléments thermoélectriques 22, en particulier en cas de faible débit. Pour ce faire, le dispositif de contrôle de débit comprend, avantageusement, 30 une vanne 50. Ladite vanne 50 comprend un corps de vanne 52 et un clapet 54. Le corps de vanne 52 comprend un orifice central, ouvert ou non, en fonction de la position du clapet 54. En effet, le clapet 54 est articulé par rapport au corps de vanne 52. La vanne 30 est donc apte à occuper une position ouverte, une position fermée, ou une position intermédiaire (voir figure 3). Le dispositif de contrôle 14 pourra 3048553 8 comprendre pour cela des moyens d'actionnement du volet, non représentés, par exemple intégrés au générateur 12. Ils sont avantageusement configurés pour permettre audit volet 54 d'occuper toute position angulaire. Le parcours desdits gaz est schématisé par des flèches sur la figure 3. Les 5 flèches représentent un débit de gaz. Schématiquement, nous avons représenté un débit important par des flèches plus épaisses. Avantageusement, et notamment pour des raisons d'intégration et de compacité du générateur 12, le corps de vanne 52 dudit dispositif de contrôle 14 est 10 confondu avec le corps 30 du dispositif thermoélectrique 10, définissant ainsi une même cavité centrale 34, dite conduit du générateur 34. Ce conduit 34 sera appelé, dans la suite, conduit d'écoulement. Ce conduit 34 est particulièrement adapté à l'écoulement des gaz d'échappement F2. 15 Ainsi, lorsque la vanne 50 est ouverte, les gaz circulent à travers le conduit 34 et seule une faible fraction desdits gaz passent à travers les ailettes 26 des modules 20. Ce cas de figure apparait en particulier lors du démarrage du moteur thermique (moteur non illustré). La température des gaz est alors, par exemple, inférieure à 400°C pour un fluide de refroidissement dont la température est, par 20 exemple, inférieure à 100°C. Il est à noter que la fraction des gaz traversant le générateur 12 favorise le transfert de la chaleur des gaz chauds dans le liquide froid lors des phases de démarrage moteur, ce qui pourra permettre d'accélérer sa mise en température nominale. 25 D'autre part, lorsque la vanne 50 est en position fermée, les gaz sont guidés vers les modules thermoélectriques 20, au plus près possibles de des ailettes 26 desdits modules 20. Plus précisément, un boitier 60 est placé autour du générateur thermoélectrique 12 pour guider lesdits gaz, vers les modules 20. Cette configuration, illustrée à la figure 3, convient plus particulièrement pour des débits de 30 gaz d'échappement faibles. Ledit débit sera, par exemple, inférieur à 30g/s pour une température des gaz, par exemple, inférieure à 750°C. Autrement dit, le générateur thermoélectrique 12 est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet 54 occupe la position fermée, le premier fluide F2 circule à 3048553 9 travers les logements 32 dudit dispositif thermoélectrique 10 et, lorsque le clapet 54 est en position ouverte, ledit premier fluide F2 circule principalement à travers le conduit du générateur 12, bien qu'une partie dudit fluide F2 puisse venir au contact des ailettes 26. 5 Cela signifie que ledit premier fluide F2 subit un traitement catalytique quelle que soit la position dudit clapet 54. Lorsque le clapet 54 occupe la position fermée, ledit premier fluide F2 est majoritairement dépollué au contact du revêtement porté par les ailettes 26. Lorsque le clapet 54 occupe la position ouverte, ledit premier fluide F2 est majoritairement dépollué en passant au travers dudit substrat 40. Cette 10 dépollution des gaz d'échappement F2 est due aux réactions chimiques, lors du contact avec le revêtement des ailettes 26 et/ou avec les molécules de métaux rares piégées dans le substrat 40. Ces réactions chimiques étant exothermiques, elles participent, localement, à la génération d'énergie thermoélectrique due au gradient de température entre les faces desdits éléments thermoélectriques 22, notamment 15 au niveau des ailettes 26. Il est à noter que le boitier 60 sert d'enveloppe externe protectrice, notamment de manière à permettre le positionnement dudit générateur 12 dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz 20 d'échappement recirculés de véhicule automobile. Dès lors, le générateur thermoélectrique 12 de l'invention, comprenant ledit dispositif thermoélectrique 10 et ledit dispositif de contrôle de débit 14, agit comme générateur d'énergie thermoélectrique et comme contrôleur d'émission de gaz 25 toxiques. Le fonctionnement du dispositif de contrôle de débit 14 se fera en rapport au débit de gaz d'échappement F2 mesuré, par exemple à l'entrée du générateur thermoélectrique 12 : 30 - lorsque le débit est inférieur à 20% du débit maximal mesurable, la vanne 50 est fermée et le gaz d'échappement passe exclusivement au voisinage des modules 20, à travers les logements 32, via les ailettes 26 (voir partie A du graphique de la figure 4) ; 3048553 10 - lorsque le débit est supérieur à 20% du débit maximal mesurable tout en restant inférieur à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 50 est partiellement ouverte pour éviter une élévation de la pression résultante au niveau des modules thermoélectriques 20 (voir partie B du graphique 5 de la figure 4) ; - lorsque le débit est égal à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 50 est ouverte et la pression résultante est la même au niveau des modules thermoélectriques 20 que dans le substrat catalytique 40. 10 L'abscisse du graphique de la figure 4 correspond au rapport « débit mesuré » sur « débit maximal mesurable » et l'ordonnée du même graphique correspond à une image de la pression résultante au niveau des modules thermoélectriques 20. 15 Il est à noter que le générateur thermoélectrique 12 est dimensionné pour fonctionner de manière optimale lorsque le débit de gaz F2 est sensiblement égal à 50% du débit maximal mesurable, le substrat catalytique 40 étant dimensionné pour un fonctionnement optimal lorsque le débit de gaz F2 est sensiblement supérieur à 30% du débit maximal mesurable. 20 Il est à noter aussi que des variantes de réalisation sont bien sûr possibles. Notamment, dans un exemple de réalisation supplémentaire (non illustré), un tel substrat 40 peut être configurée pour être positionné dans un échangeur de chaleur, ceci en faisant abstraction des modules thermoélectriques insérés entre les tubes de 25 fluide de refroidissement et les ailettes. REVENDICATIONS1. Dispositif thermoélectrique (10) comprenant une pluralité de modules thermoélectriques (20), lesdits modules (20) comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique (22) susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, au contact d'une source froide (F1) d'une part, et d'une source chaude (F2) d'autre part, ledit dispositif (10) comprenant un corps (30) présentant une pluralité de logements (32) destinés à accueillir lesdits modules (20), ledit corps (30) définissant en outre une cavité centrale (34) dépourvue de module thermoélectrique, ledit dispositif thermoélectrique (10) comprenant, en outre, un substrat catalytique (40) disposé à l'intérieur de ladite cavité (34), ledit substrat (40) étant conçu de manière à assurer une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide. 2. Dispositif thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit premier fluide (F2) constitue ladite source chaude. 3. Dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconques des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit substrat (40) comprend une pluralité de pores chargés en éléments chimiques pour assurer ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide (F2). 4. Dispositif thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits éléments chimiques sont des molécules de métaux rares. 5. Dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (30) présente une section sensiblement cylindrique, définissant ainsi, sur son pourtour, une couronne de logements (32) pour lesdits modules (20), et, donnant à ladite cavité centrale (34) une section sensiblement cylindrique. 3048553 12 6. Dispositif thermoélectrique (10) selon la revendication précédente, dans lequel le substrat (40) est de section sensiblement cylindrique de manière à occuper la quasi-totalité de ladite cavité (34). 5 7. Dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat (40) est un pain de matière poreuse. 8. Dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat (40) est réalisé en matériau 10 céramique. 9. Dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits modules (20) sont maintenus dans lesdits logements (32) par des surfaces d'échanges secondaires, dites ailettes (26), 15 les ailettes (26) comprenant un revêtement catalytique de sorte à participer à ladite conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide (F2). 10.Générateur thermoélectrique (12), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermoélectrique (10) selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes. 11. Générateur thermoélectrique (12) selon la revendication précédente, caractérisé en qu'il comprend, en outre, un dispositif de contrôle de débit (14), ledit dispositif de contrôle de débit (14) étant positionné, dans le sens de 25 circulation du premier fluide (F2), en aval dudit substrat catalytique (40). 12.Générateur thermoélectrique (12) selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif de contrôle de débit (14) comprend une vanne (50), ladite vanne (50) comprenant un corps de vanne (52) et un clapet (54), ledit clapet 30 (54) étant articulé par rapport au corps de vanne (52) et étant apte à occuper une position ouverte et une position fermée, ladite vanne (50) étant configurée pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur (12) de manière à moduler la quantité du premier fluide (F2) circulant à travers lui. 3048553 13 13. Générateur thermoélectrique (12) selon la revendication précédente, dans lequel le corps de vanne (52) dudit dispositif de contrôle est confondu avec le corps (30) dudit dispositif thermoélectrique (10), définissant ainsi une même cavité centrale (34), dite conduit du générateur (34). 5 14. Générateur thermoélectrique (12) selon la revendication précédente, configuré de manière à ce que, lorsque le clapet (54) occupe la position fermée, le premier fluide (F2) circule à travers les logements (32) dudit dispositif thermoélectrique (10) et, lorsque le clapet (54) est en position ouverte, ledit 10 premier fluide (F2) circule à travers le conduit du générateur (34). 15. Générateur thermoélectrique (12) selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, destiné à être revêtu d'une enveloppe externe protectrice, dit boitier (60), de manière à être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule 15 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 (F2). 20