Brevet FR3040542A1 — publié le 20170303

CONVERTISSEUR THERMOELECTRIQUE THERMIQUEMENT TRANSPARENT DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine des convertisseurs thermoélectrique, notamment à effet Seebeck. L'invention trouve particulièrement application dans les domaines où le convertisseur thermoélectrique est utilisé pour produire de l'électricité à partir de chaleur fatale produite par un processus industriel tout en perturbant au minimum ledit processus. ETAT DE LA TECHNIQUE Certains processus industriels, par exemple la production métallurgique (aluminium, acier, sodium, etc.), ou la production de verre, nécessitent l'apport ou produisent un flux de chaleur contraint, ou chaleur « fatale », dont une partie est perdue. Dans ce contexte, des convertisseurs thermoélectriques, constitué d'un module thermoélectrique empilé avec un dissipateur thermique (ou radiateur), ont été utilisés pour convertir au moins une partie de cette énergie auparavant gaspillée. Toutefois, l'utilisation sans précaution particulière d'un générateur thermoélectrique peut perturber le processus à la source de cette chaleur, par exemple parce qu'il ajoute une résistance thermique importante à l'endroit où il est disposé, ce qui peut par exemple induire une accumulation de chaleur non souhaitable. Pour palier ceci, il est primordiale de se doter de convertisseurs thermoélectriques qui perturbent a minima le processus dont il tire la chaleur, à savoir un convertisseur dit « thermiquement transparent ». Afin de limiter les perturbations thermiques de certains processus, des dispositifs thermiquement transparents ont été développés et utilisés comme interface thermique, comme par exemples décrits dans le document US 2012/0153316 et CA 1150364. Pour l'essentiel, ces solutions consistent soit à concevoir un dispositif qui est intrinsèquement le plus transparent possible, par exemple en concevant un convertisseur ayant une résistance thermique faible, notamment en prévoyant dans celui-ci des couches particulières de matériau, soit à intégrer un circuit de régulation de température (e.g. un module Peltier), qui permet de contrôler les températures et échanges thermiques. Ces solutions ne permettent pas une conversion du flux de chaleur en électricité et peuvent nécessiter la mise en place d'un contrôle actif de régulation des températures et flux thermiques au niveau de l'interface thermique 3040542 2 EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de fournir un convertisseur thermoélectrique thermiquement transparent qui soit passif et qui soit libre dans le choix de ses matériaux 5 et de sa structure. A cet effet, l'invention a pour objet un convertisseur thermoélectrique comportant : une surface chaude ou destinée à être chauffée ; un générateur thermoélectrique comportant une première et une seconde plaques et 10 un module thermoélectrique disposé entre lesdites plaques, la première plaque étant posée sur la surface destinée à être chauffée ; et un dissipateur thermique pour évacuer de la chaleur par convection, ledit dissipateur thermique étant posé sur la seconde plaque du générateur thermoélectrique ; 15 Selon l'invention, pour au moins un régime de convection prédéterminé : S= p p TE Rad "th "th ' th expression dans laquelle : - leh est la résistance thermique de convection de la surface chaude ou destinée à être 20 chauffée ; RThE est la résistance thermique de conduction du générateur thermoélectrique ; et lehad est la résistance thermique de convection et/ou radiation du dissipateur thermique (ou radiateur). 25 En d'autres termes, plutôt que de rechercher un convertisseur thermoélectrique dont les propriétés intrinsèques, indépendantes donc de l'environnement dans lequel il est disposé, garantissent une certaine transparence, l'invention met en oeuvre une adaptation de la résistance thermique du convertisseur avec la résistance thermique de la surface sur laquelle il est destiné à être posé. Ce faisant, l'accumulation de chaleur dans le 30 convertisseur est donc limitée. Par ailleurs, la résistance thermique du générateur dépendant de plusieurs paramètres, il est possible de régler celle-ci sans être contraint par le choix des matériaux, par exemple en réglant la résistance thermique au moyen de la structure du convertisseur. 35 3040542 3 Selon un mode de réalisation, le dissipateur thermique est destiné à fonctionner en convection naturelle, et en ce que lesdites résistances thermiques leh et ehad sont des résistances thermiques de convection en convection naturelle, et RThE une résistance thermique de conduction. Notamment, la résistance thermique surfacique du générateur 5 thermique en convection naturelle est égale à 0,1 (K/W).m2. Selon un mode de réalisation, le dissipateur thermique est destiné à fonctionner en convection forcée, et en ce que lesdites résistances thermiques leh, lehad sont des résistances thermiques de convection en convection forcée, et RThE une résistance 10 thermique de conduction. Notamment, la résistance thermique surfacique en convection forcée du générateur thermoélectrique est égale à 0,01 (K/W).m2. Selon un mode de réalisation, le module thermoélectrique est un module thermoélectrique à effet Seebeck. Selon un mode de réalisation, les première et seconde plaques du générateur thermoélectrique sont de dimension égales et centrées l'une sur l'autre, et en ce que le dissipateur thermique recouvre sensiblement toute la seconde plaque du générateur thermoélectrique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés dans 25 lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues schématique respectivement en perspective et de côté d'un convertisseur thermoélectrique thermiquement transparent; et - les figures 3a et 3b sont des vues schématique d'exemples de convertisseurs thermoélectriques utilisés en tant que capteur de flux thermique. 30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se référant aux figures 1 et 2, un convertisseur thermoélectrique 10 comprend un générateur thermoélectrique 12 empilé avec un dissipateur thermique 14. 15 20 35 3040542 4 Le générateur thermoélectrique 12 comporte : une première plaque 16 et une seconde plaque 18, par exemple identiques, centrées l'une sur l'autre et formant les sources chaude et froide du générateur 12. La première plaque 16 est posée sur une surface chauffée 20, par exemple d'un 5 dispositif de processus industriel, de la peau, etc..., le convertisseur 12 ayant pour objectif de convertir au moins en partie la chaleur en électricité ; et un module thermoélectrique à effet Seebeck 22, agencé entre les deux plaques 16 et 18. Le module 22 comporte d'une manière en soi connue des couples d'éléments conducteurs ou semi-conducteurs 24, 26 ayant des coefficients Seebeck différents et 10 connectés électriquement en série, par exemple au moyens de bandes conductrices 28, les couples étant également connectés électriquement en série. Le module 22 produit une tension entre deux bornes (non représentées) en fonction du gradient de température existant entre les deux plaques 16 et 18. Les éléments 24, 26 du module 22 sont par exemple des barreaux de dimensions identiques, notamment à section 15 carrée, et réalisés à base du même matériau (e.g. respectivement en siliciure dopé P et en siliciure dopé N), et sont régulièrement répartis entre les deux plaques 16 et 18. Le dissipateur thermique 14 est posé sur la seconde plaque 18 du générateur 12 de manière à évacuer la chaleur traversant ce dernier, et ainsi à augmenter le gradient de 20 température entre les deux plaques 16, 18. Le dissipateur thermique, qui comporte par exemple une embase ou une plaque de laquelle des ailettes sont en saillie, présente une surface d'échange thermique A' plus importante que la surface A de son embase. L'embase peut être de dimension sensiblement égale à celle de la seconde plaque 18 du générateur 12 (figure 1) ou de dimension supérieure (figure 2). Le dissipateur thermique 25 14 est notamment destiné à être au contact d'un fluide, par exemple de l'air, dont la température est inférieure à celle de la surface chauffée 20. Afin de limiter les effets parasites des résistances thermiques aux interfaces, les générateur thermoélectrique 12 et le dissipateur thermique 14 sont préférentiellement 30 connectés l'un à l'autre à l'aide d'une couche 28 de matériau d'interfaces thermiques (« TIM »), notamment de type polymère thermiquement conducteur, de graisse thermique ou de feuille de graphite souple. Afin de garantir un contact thermique optimal, le générateur et le dissipateur thermique sont en outre bridés mécaniquement, par exemple au moyen de vis et/ou ressorts 30, ou à défaut collés l'un à l'autre par une colle 35 thermiquement conductrice. 3040542 5 Les éléments venant d'être décrits sont classiques et ne seront pas décrits plus en détail par la suite. Ils peuvent prendre n'importe quelle forme, dimension, agencement et composition, dans les limites décrites ci-après. 5 Selon l'invention : S= pTE pRad "th "th ' th (1) où leh est la résistance thermique de convection au niveau de la surface chauffée 20 sur laquelle est posée le générateur 12 (i.e. la résistance thermique s'opposant au flux de 10 chaleur entre la source de chaleur et la surface chauffée 20), RThE est la résistance thermique de conduction du générateur thermoélectrique 12, et lehad est la résistance thermique de convection du dissipateur thermique 14 (i.e la résistance thermique s'opposant au flux de chaleur entre le dissipateur thermique et l'extérieur). 15 La relation (1) est au moins valable pour le régime de convection dans lequel le convertisseur est destiné à fonctionner, par exemple en convection naturelle ou en convection forcée. Comme cela est connu en soi, la résistance thermique de convection en surface d'un 20 élément exprime la résistance thermique au passage d'un flux de chaleur d'origine convective ; et la résistance thermique de conduction dans un élément exprime la résistance thermique au passage d'un flux de chaleur. Notamment, la résistance leh de la surface 20 nue, c'est-à-dire sans le convertisseur 12, 25 s'exprime au premier ordre selon la relation : 1 R S - th X AS th th où gh est le coefficient d'échange thermique de convection de la surface 20, et AL est la surface d'échange thermique de la surface considérée, et donc égale à l'aire de la 30 première plaque 14 du générateur 12. Le coefficient d'échange thermique gh est par exemple défini par le régime de convection, et appartient aux gammes décrites au tableau ci-dessous : (2) 3040542 6 Type d'échanges convectifs avec l'extérieur s Coefficient d'échange hth (W.in-2.K-1) Convection libre (air) 5 - 25 Convection forcée (air) 10 - 500 Convection libre (eau) 100 -900 Convection forcée (eau) 100 - 15000 De même, la résistance ehad du dissipateur thermique 14 s'exprime au premier ordre selon la relation : 5 jead (3) - 1 "th R " ARacl Ieth th où hie est le coefficient d'échange thermique de convection en surface du dissipateur thermique 14, et Alt?laid est la surface d'échange thermique du dissipateur thermique 14. 10 De même, la résistance RThE du générateur thermoélectrique 12 s'exprime au premier ordre selon la relation : RTE - RTE ÀxNx LITE hTE (4) où hTE et LTE sont respectivement la hauteur et la largeur des éléments 24, 26, À est la 15 conductivité thermique du matériau constitutif des éléments 24, 26, et N est le nombre de couples d'éléments 24, 26. On note ainsi que le concepteur du convertisseur de l'invention dispose des paramètres du dissipateur thermique 14 pour régler la différence de leh - lehad et du nombre, de la 20 géométrie, et du matériau des éléments 24, 26 pour régler la résistance RThE sur la valeur RS th - Rj'"?thaci Notamment, pour un dissipateur thermique conçu de telle sorte que hie = gh et 25 Alt?laid = p x AL , où p est supérieur à 1, le générateur 12 vérifie donc : Dth 1 1 TE = x (1 - -) hth x p (5) 3040542 7 Ainsi, plus le dissipateur thermique est efficace pour évacuer la chaleur par convection, par exemple en choisissant un dissipateur thermique tel que p 5, et de préférence p > 10, la résistance thermique de conduction du générateur 12 s'approche de la résistance thermique en convection de la surface chauffée 20. 5 Par exemple, pour p = 5, et gh compris entre 5 et 10 W/m2/K en convection naturelle, la résistance thermique RThE (somme des résistances thermiques de conduction et convection) du générateur est égale ou proche de 0.1 (K/W).m2, et pour gh= 100 W/m2/K en convection forcée, la résistance thermique RThE (somme des résistances 10 thermiques de conduction et convection) est égale à 0,01 (K/W).m2. Ainsi, pour une surface développée d'échange thermique côté dissipateur thermique Atla d > 5 x AL, le générateur 12 est réglé sur une résistance thermique de l'ordre de (KW)/.m2, avec hth gh défini par le mode de convection. 15 Il a été décrit l'utilisation du convertisseur thermoélectrique en tant que générateur d'électricité. Le convertisseur thermiquement transparent selon l'invention peut également être utilisé comme capteur de flux thermique transparent (mesure de flux échangé par convection ou radiation). L'invention associée à la mesure de flux thermique permet de réaliser des mesures de flux pour le bâtiment, les procédés industriels 20 (métallurgie, verre, pétrochimie, ..) sans influencer thermiquement la zone de mesure, et ainsi donner une mesure plus pertinente du flux thermique généré lors du procédé ou du flux échangé avec l'environnement. Un exemple de capteur convectif de 20 mm * 20 mm thermiquement transparent pour le 25 bâtiment est composé d'un module thermoélectrique de 16 thermo-éléments en Bi2Te3 de 1*1 mm2 et 5.5 mm de haut (conductivité thermique de 1,4 W/m/K), ayant une résistance thermique de l'ordre de 250 K/W, monté en série avec un dissipateur thermique de 20 *20 mm2 de 25 K/W, tel qu'illustré à la figure 3a. La taille des éléments thermoélectriques du capteur étant assez élevée (5.5 mm), le module thermoélectrique est 30 dans une variante privilégiée, scellé avec un isolant thermique type aérogel pour limiter les pertes thermiques par convection au sein du module, tel qu'illustré à la figure 3b. Dans un mode de réalisation, en environnement très chaud, un intercalaire thermique isolant entre la surface d'intérêt et les modules thermoélectriques est utilisé pour limiter 35 la température au niveau du module thermoélectrique, par exemple une plaque de MACOR®, de mica, de laine de roche, d'alumine poreuse, etc., et ainsi éviter sa détérioration. 3040542 8 Dans cette configuration, afin de conserver la transparence thermique, la résistance Rth est remplacé par Rth - Ritrj, où Ritrhlt est la résistance thermique de conduction de l'intercalaire. En reprenant, les valeurs numériques précédentes, la résistance et.hE du générateur 12 est alors réglée sur . - Ritrhlt hth 5 L'invention trouve ainsi application dans : - les montres thermoélectriques ou tout autre dispositif portatif thermoélectrique autonome (podomètre TE, GPS TE, ...), car il évite la sensation de froid sur la peau ; - la récupération d'énergie sur un procédé industriel fortement lié à la thermique (cuve 10 d'aluminisation, industrie de l'acier, du verre,...) ; - les capteurs transparents de flux thermique convectif. REVENDICATIONS1. Convertisseur thermoélectrique comportant : - une surface (20) chaude ou destinée à être chauffée ; - un générateur thermoélectrique (12) comportant une première et une seconde plaques (16, 18) et un module thermoélectrique (22) disposé entre lesdites plaques (16, 18), la première plaque (16) étant posée sur la surface (20) destinée à être chauffée ; et - un dissipateur thermique (14) pour évacuer de la chaleur par convection, ledit dissipateur thermique étant posé sur la seconde plaque (18) du générateur thermoélectrique (12) ; caractérisé en ce que pour au moins un régime de convection prédéterminé, la relation suivante est vérifiée : S= p p TE Rad "th "th ' th expression dans laquelle : - leh est la résistance thermique de convection de la surface destinée à être chauffée ; - RThE est la résistance thermique de conduction du générateur thermoélectrique ; - et lehad est la résistance thermique de convection et/ou radiation du dissipateur thermique. 2. Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dissipateur thermique est destiné à fonctionner en convection naturelle, et en ce que lesdites résistances thermiques leh et lehad sont des résistances thermiques de convection en convection naturelle, et RThE une résistance thermique de conduction 3. Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la résistance thermique surfacique du générateur thermique en convection naturelle est égale à 0,1 (K/W).m2 (somme des résistances thermiques de conduction et convection) 4. Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dissipateur thermique est destiné à fonctionner en convection forcée, et en ce que lesdites résistances thermiques leh, lehad sont des résistances thermiques de convection en convection forcée, et RThE une résistance thermique de conduction. 3040542 10 5. Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résistance thermique surfacique en convection forcée du générateur thermoélectrique est égale à 0,01 (K/W).m2 (somme des résistances thermiques de conduction et convection) 5 6. Convertisseur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module thermoélectrique est un module thermoélectrique à effet Seebeck. 10 7. Convertisseur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde plaques du générateur thermoélectrique sont de dimension égales et centrées l'une sur l'autre, et en ce que le dissipateur thermique recouvre sensiblement toute la seconde plaque du générateur thermoélectrique. 15