Brevet FR3041161A1 — publié le 20170317

La présente invention se rapporte à un module et un dispositif thermo électriques, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile. Dans le domaine automobile, a déjà été proposé des dispositifs thermo électriques, également appelés générateurs thermo électriques ou TEG selon l'acronyme anglo-saxon « ThermoElectric Generator », utilisant des éléments, dits thermo électriques, 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 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 thermo électriques 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. Des tels dispositifs 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 des dispositifs thermo électriques comportant une pluralité de modules thermo électrique, chaque module comportant des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le premier fluide et le second fluide circulent de manière transversale l'un par rapport à l'autre. Un tel module thermo électrique comporte une pluralité d'éléments thermo électriques de forme annulaires disposés dans le prolongement 3041161 2 longitudinal l'un de l'autre de façon coaxiale, avec par exemple une alternance d'éléments thermo électriques de type N et d'éléments thermo électriques de type P. Chaque élément thermo électrique comporte des ailettes s'étendant depuis la périphérie extérieure, transversalement et 5 radialement. Ces ailettes, usuellement obtenues dans de l'aluminium ou de l'inox et serties sur le diamètre extérieure des anneaux des éléments thermo électriques, permettent de favoriser les échanges thermiques avec les gaz chauds d'échappement qui circulent à travers lesdites ailettes, un fluide froid circulant au centre des éléments thermo électriques, et extraire le maximum 10 de chaleur des gaz d'échappement pour la transférer aux matériaux thermo électriques. Lesdits modules comportent ainsi des éléments thermo électriques qui sont assemblés sous forme de crayons cylindriques et sont répartis dans 15 une enceinte cylindrique de telle sorte que les gaz chauds d'échappement circulent librement entre chaque module tandis qu'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement circule au centre des éléments thermo électriques. Ce type de dispositif thermo électrique présente l'inconvénient de 20 procurer un réchauffement des sources froides en dehors du circuit thermo électrique ce qui grève l'efficacité du dispositif thermo électrique. L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un dispositif thermo électrique comprenant au moins un carter de forme 25 tubulaire dont l'une des extrémités est fermée par un collecteur d'un premier fluide et un collecteur d'un second fluide, et dans lequel s'étend une pluralité de modules d'éléments thermo électrique s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du carter, chaque module étant constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques ayant une forme de cylindre ou de prisme 30 droit muni d'un évidement central, parcouru par un tube central dudit module, et étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure 3041161 3 définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, le premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, ledit collecteur 5 d'admission du premier fluide consiste en une tuyère cylindrique débouchant dans le carter, notamment en s'évasant, et le collecteur du second fluide est constitué d'un boitier à travers lequel s'étend la tuyère, des moyens procurant une isolation thermique entre le boîtier et le carter. 10 On comprend bien que l'isolation thermique entre le boîtier et le carter permet d'éviter un réchauffement de la source froide circulant dans le boîtier en dehors du circuit thermo électrique améliorant ainsi l'efficacité du dispositif thermo électrique. 15 Selon différents mode de réalisation de l'invention, pris ensemble ou séparément : ledit boîtier est en forme de couronne cylindrique, ledit boîtier comporte deux parois latérales qui présentent la forme d'un disque muni d'un trou central circulaire, à travers lequel s'étend la 20 tuyère, une paroi intérieure, notamment cylindrique, et une paroi extérieure, notamment cylindrique, lesdits moyens consistent en une entretoise prenant appui respectivement sur la paroi latérale du carter et sur l'une des parois latérales du boîtier dans laquelle sont pratiqués des trous recevant les tubes centraux 25 des modules thermo électriques, le boitier et l'entretoise sont maintenus sur le carter par des moyens de compression, les moyens de compression sont des vis pointeau s'étendant dans des trous taraudés pratiqués dans un anneau solidaire de la tuyère 30 s'étendant à travers le trou central du boîtier, les pointes des vis pointeau prenant appui sur la paroi latérale opposée du boîtier, 3041161 4 - au moins une barrière thermique entre le collecteur d'admission du premier fluide et le collecteur d'admission du second fluide est prévue, la barrière thermique consiste en un manchon isolant 5 s'étendant entre la paroi intérieure du boîtier et la tuyère, - ledit manchon isolant présente une forme cylindrique et est solidaire de l'anneau portant les vis pointeau, lesdits collecteurs sont respectivement des collecteurs d'admission du second fluide et d'admission et/ou d'échappement du premier 10 fluide, ledit dispositif comprend en outre un collecteur d'échappement dudit second fluide, ledit collecteur d'échappement du second fluide ferme l'autre extrémité dudit carter, 15 lesdits modules comprennent en outre une enveloppe coiffant lesdits éléments thermo électrique et comportant au moins une première fente d'admission du second fluide et une seconde fente dite d'échappement dudit second fluide. 20 L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif thermo électrique conforme à l'invention comprenant plusieurs modules 25 d'éléments thermo électriques, la figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 3 est une coupe longitudinale en perspective du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, 30 la figure 4 illustre de façon schématique, en coupe transversale, un dispositif thermo électrique conforme à l'invention, 3041161 5 la figure 5 est une vue en coupe longitudinale du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 6 est une vue en perspective du collecteur d'admission du fluide caloporteur du dispositif thermo électrique conforme à 5 l'invention, la figure 7 est une vue en coupe longitudinale en perspective du collecteur d'admission du fluide caloporteur du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 8 est une vue en perspective du collecteur 10 d'échappement des gaz d'échappement du dispositif thermo électrique conforme à l'invention, la figure 9 est une vue en coupe longitudinale en en perspective du collecteur d'échappement des gaz d'échappement du dispositif thermo électrique conforme à l'invention. 15 Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références. Comme illustré aux figures 1 et 2, l'invention concerne un dispositif 20 thermo électrique 1 comprenant une pluralité de modules 2, comme il sera détaillé plus loin, positionnées circulairement et s'étendant parallèlement à l'intérieur d'un carter 3 de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par un collecteur d'admission 4 d'un premier fluide, en l'espèce des gaz chauds d'échappement, et un collecteur d'admission 5 d'un second fluide, à 25 savoir un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, et respectivement par un collecteur d'échappement 6 desdits premier et second fluides. Le carter 3 présente une section droite circulaire et les modules 2 d'éléments thermo électriques sont positionnée circulairement à l'intérieur dudit carter 3 autour de l'axe de révolution dudit carter 3. 30 En référence à la figure 2, chaque module 2 comprend une pluralité d'éléments thermo électriques 7n,7p, en forme de cylindre ou de prisme droit 3041161 6 et présentant un évidement central, susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie 5 intérieure, le second fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et le premier fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, et une enveloppe 8 coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques 7n,7p, constituée d'au moins deux parties assemblées 8a,8b, et comportant au moins une première fente dite d'admission 9 du second fluide 10 et une seconde fente dite d'échappement 10 dudit second fluide, ledit second fluide consistant dans les gaz d'échappement. On notera que les faces extérieures et intérieures des éléments thermo électriques 7n,7p sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon 15 plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale par exemple, et/ou polygonale est possible. De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre les faces 20 intérieure et extérieure des éléments thermo électriques 7n,7p soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). Les éléments thermo électriques 7 pourront être, pour une première 25 partie, des éléments 7p 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 7n 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 30 au même gradient de température. 3041161 7 Lesdits éléments thermo électriques 7p, 7n sont disposés, par exemple, dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D. Ils sont, 5 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. 10 Lesdits éléments thermo électriques 7p, 7n sont, par exemple, groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et d'un dit élément thermo électrique de type N, et ledit module est configuré pour permettre une circulation de courant entre les premières surfaces des éléments thermo électriques 7 d'une même paire et 15 une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo électriques 7 de ladite même paire et l'élément thermo électrique 8 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques 7p, 7n disposés les uns à côtés des autres selon la direction D. 20 Pour la circulation du premier fluide, c'est-à-dire le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, le module conforme à l'invention comprend un canal 11 de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde surface desdits éléments thermo électriques 7p, 7n. 25 Selon ce qui précède, le canal 11 de circulation de liquide froid est unique et placé au centre du module. Selon une variante, il pourra être prévu une pluralité de canaux de circulation de liquide froid. 30 Le ou lesdits canaux 11 de circulation de liquide sont constitués d'un ou plusieurs tubes, par exemple, de section circulaire. 3041161 8 Ledit module 2 comprend ainsi un tube 11 de circulation de liquide froid sur lequel sont montés une pluralité d'éléments thermo électriques 7 du même type alternant selon la direction d'extension longitudinale D du tube 11 avec un élément thermo électrique de l'autre type. Les tubes 11 sont, 5 notamment, métalliques. Ledit module 2 pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique, non représentés sur les figures, disposés entre deux faces en vis-à-vis d'éléments thermo électriques voisins 7p, 7n selon la direction d'extension 10 D longitudinale du tube 11. Ledit module 2 pourra en outre comprendre des premiers moyens de connexion électrique, non représentés sur les figures, reliant les surfaces de périphérie extérieur de deux desdits éléments thermo électrique 7, prévus 15 adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique comprennent, par exemple, une couche de matière électriquement conductrice, notamment en cuivre et/ou en nickel, de revêtement desdits éléments thermo électriques 7p, 7n. 20 Ledit module 2 comprend avantageusement des surfaces d'échange secondaire, en particulier des ailettes 12, avec le second fluide. On augmente de la sorte la surface d'échange entre les éléments thermo électriques 7 et ledit second fluide. Lesdites ailettes 12 sont disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo 25 électriques 7. Elles sont ici positionnées parallèlement les unes aux autres avec un écartement permettant un bon échange de chaleur avec le second fluide tout en limitant les pertes de charges. Lesdites ailettes 12 pourront être décentrées par rapport auxdits éléments thermo électriques 7p, 7n, notamment allongées du côté de l'arrivée du second fluide. 30 Lesdites ailettes 12 pourront comprendre un revêtement catalytique pour assurer une conversion catalytique de composants toxiques du second 3041161 9 fluide. Dans le cas de gaz d'échappement, ledit module 2 pourra de la sorte équiper un pot catalytique en complément ou substitution des composants servant classiquement à la catalyse dans de tels équipements. 5 Lesdites ailettes 12 sont fixées, par exemple, sur lesdits premiers moyens de connexion électrique, notamment par sertissage et/ou brasage. Le module pourra 2 en outre comprendre des seconds moyens de connexion électrique établissant une connexion électrique entre les surfaces 10 de périphérie intérieur de deux desdits éléments thermo électrique 7, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique. Autrement dit, lesdits premiers et seconds moyens de connexion 15 électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 7 de façon à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique 8 du module 2. Comme déjà évoqué, en référence à la figure 2, l'enveloppe 8 est 20 d'au moins deux parties assemblées 8a,8b, et comporte au moins une première fente dite d'admission 9 du second fluide et une seconde fente dite d'échappement 10 dudit second fluide. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, ladite 25 enveloppe 8 est constituée de deux parties 8a,8b correspondant respectivement à une fraction de tube de section droite circulaire, chaque fraction de tube étant sensiblement hémi-cylindrique, et fermée à ses extrémités respectivement par une rondelle 13 de forme complémentaire, c'est-à-dire de forme circulaire, comportant au moins deux ergots 14 30 s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite rondelle 13 de manière à former au moins deux fentes 9 et 10 entre lesdites fractions de tubes 8a,8b. 3041161 10 Comme déjà évoqué, en référence aux figures 1, 3, 5 et 7, le dispositif thermo électrique 1 comprend une pluralité de modules 2, tels que décrits plus hauts, positionnées circulairement et s'étendant parallèlement à 5 l'intérieur d'un carter 3 de forme tubulaire dont les extrémités sont fermées par un collecteur d'admission 4 d'un premier fluide et un collecteur d'admission 5 d'un second fluide et respectivement par un collecteur d'échappement 6 desdits premier et second fluides. 10 Ledit collecteur d'admission 4 du premier fluide consiste en une tuyère 15 cylindrique débouchant dans le carter 3 en s'évasant et le collecteur 5 du second fluide est constitué d'un boitier 16 en forme de couronne cylindrique, comportant deux parois latérales 17,18 qui présentent la forme d'un disque muni d'un trou central circulaire 19, une paroi intérieure 15 cylindrique 20 et une paroi extérieure cylindrique 21, des trous 22 pratiqués sur l'une des parois latérales 18 pour recevoir les tubes centraux 11 des modules thermo électrique 2, lesdits trous 22 étant munis de moyens d'étanchéité constitués par des joints toriques 23. Par ailleurs, ledit boîtier 16 comporte au moins une cloison interne définissant au moins une chambre 20 dite d'admission et une chambre dite d'échappement, et au moins une tubulure dite d'admission 24 débouchant dans la chambre d'admission et une tubulure dite d'échappement 25 débouchant dans la chambre d'échappement. Les tubulures d'admission 24 et d'échappement 25 s'étendent radialement depuis la paroi périphérique extérieure 21 du boîtier 25 16. Le boîtier 16 est solidarisé à l'une des faces latérales du carter 3 par des moyens procurant une isolation thermique dudit boitier 16. Ces moyens consistent en une entretoise 26 cylindrique prenant appui respectivement sur 30 la paroi latérale du carter 3 et sur la paroi latérale 18 du boîtier 16 dans laquelle sont pratiqués les trous 22 recevant les tubes centraux des modules thermo électriques 2. Le boitier 16 et l'entretoise 26 sont maintenus en 3041161 11 compression sur la face latérale du carter 3 par des vis pointeau 27 s'étendant dans des trous taraudés 28 pratiqués dans un anneau 29 solidaire de la tuyère 15 s'étendant à travers le trou central 19 du boîtier 16, les pointes des vis pointeau 27 prenant appui sur la paroi latérale 17 opposée du boîtier 16. On 5 observera que les vis pointeau 27 procurent des surfaces de contact extrêmement limitées de sorte que la conduction entre les parties métalliques de la tuyère 15 dans laquelle circule les gaz chauds d'échappement et le boîtier 16 formant le circuit de refroidissement est coupée par une résistance de contact élevée. De plus, l'entretoise cylindrique 26 permet de réduire 10 considérablement le transfert thermique entre le carter 3 qui reçoit les gaz chauds d'échappement et le boîtier 16 formant le circuit de refroidissement. Dans cet exemple particulier de réalisation, l'entretoise 26 cylindrique présente un diamètre externe sensiblement égal au diamètre 15 externe du boîtier 16. Cependant, l'entretoise 26 pourra présenter une forme et des dimensions quelconques. Par ailleurs, l'entretoise 26 pourra être substituée par une pluralité d'entretoises sans sortir du cadre de l'invention. Afin de créer une barrière thermique entre la tuyère 15 et la paroi 20 intérieure 20 du boîtier 16 pour protéger le boîtier 16 contre la température excessive de la tuyère 15 dans laquelle circulent les gaz d'échappement, le dispositif comporte un manchon isolant 30 s'étendant entre la paroi intérieure 20 du boîtier 16 et la tuyère 15. Ce manchon isolant 30 présente une forme cylindrique et est solidaire de l'anneau 29 portant les vis pointeau 25 28. En référence aux figures 1, 3, 5, 8 et 9, le collecteur d'échappement 6 consiste en une pièce de forme conique solidaire du carter 3 et en communication avec des gouttières 31 s'étendant entre deux modules 2 30 d'éléments thermo électriques contigus comportant respectivement une fente d'admission 32 en communication de fluide avec la fente d'échappement 10 d'un module 2. Ledit collecteur d'échappement 6 3041161 12 comporte également une couronne interne 33 comportant des trous 34 recevant les tubes centraux 11 des modules thermo électriques 2 dans lequel circule le fluide caloporteur du circuit de refroidissement, lesdits trous 34 comportant des moyens d'étanchéité constitués de joints toriques 35. Ladite 5 couronne 33 comporte des parois internes, non représentées sur les figures, pour mettre en communication deux tubes centraux 11 des modules 2. Afin d'améliorer la convection de refroidissement au niveau de la couronne interne 33 et éviter les risques de surchauffe du fluide caloporteur 10 circulant dans ladite couronne interne 33, ce qui pourrait conduire à une détérioration des joints toriques 35, et in fine à l'apparition de fuites, le dispositif comporte avantageusement une enceinte interne 36 de forme conique s'étendant à l'intérieur du collecteur d'échappement 6 en coiffant la couronne interne 33 et des tuyères de circulation d'air dont les extrémités 15 débouchent respectivement dans l'enceinte interne 36 et au niveau de lumières pratiqués dans la paroi du collecteur d'échappement 6 afin de permettre une circulation d'air autour de la couronne interne 36. Ainsi, en référence aux figures 3 à 5, les gaz chauds d'échappement 20 sont introduits dans le carter 3 via le collecteur d'admission 4, et plus particulièrement la tuyère 15, au centre des modules 2 d'éléments thermo électriques puis ils passent dans les enveloppes 8 desdits modules 2 en passant par les fentes d'admission 9 desdites enveloppes 8. Les gaz d'échappement passent au travers de l'ensemble des ailettes 12 avant de 25 ressortir des enveloppes 8 via les fentes d'échappement 10 et d'être récupérés par les gouttières 31 et d'être évacués par le collecteur d'échappement 6. Dans le même temps, le fluide caloporteur du circuit de refroidissement est introduit dans le collecteur d'admission 4 via les tubulures d'admission 24 du boitier 16 pour qu'il circule dans les tubes centraux 11 via 30 la couronne interne 33 du collecteur d'échappement 6 avant de s'échapper par les tubulures d'échappement 25 dudit boitier 16. 3041161 13 Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Dispositif thermo électrique comprenant au moins un carter (3) de forme tubulaire dont l'une des extrémités est fermée par un collecteur d'un premier fluide et un collecteur d'un second fluide, et dans lequel s'étend une pluralité de modules (2) d'éléments thermo électrique (7p, 7n) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du carter (3), chaque module étant constitué d'une pluralité d'éléments thermo électriques (7p, 7n) ayant une forme de cylindre ou de prisme droit muni d'un évidement central, parcouru par un tube central (11) dudit module, et étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, le premier fluide étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure, ledit collecteur d'admission du premier fluide consiste en une tuyère cylindrique (15) débouchant dans le carter (3) et le collecteur du second fluide est constitué d'un boitier (16) , à travers lequel s'étend la tuyère (15), des moyens procurant une isolation thermique entre le boîtier (15) et le carter (3). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel lesdits moyens consistent en une entretoise (26) prenant appui respectivement sur une paroi latérale du carter (16) et sur une paroi latérale du boîtier (15) dans laquelle sont pratiqués des trous recevant les tubes centraux (11) des modules thermo électriques. 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le boitier (16) et l'entretoise (26) sont maintenus sur le carter par des moyens de compression. 3041161 15 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel les moyens de compression sont des vis pointeau (27) s'étendant dans des trous taraudés pratiqués dans un anneau (29) solidaire de la tuyère (15) et s'étendant à travers un trou central (19) du boîtier (16), les pointes des vis 5 pointeau (27) prenant appui sur une paroi latérale opposée du boîtier (16).