Brevet FR3041155A1 — 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, ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un tel module thermo électrique. Il 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. Une contrainte rencontrée avec les dispositifs connus est qu'ils nécessitent qu'un très bon contact soit assuré entre les éléments thermo électriques et les tubes de manière à assurer une conduction satisfaisante entre eux. Il faut ainsi disposer de tubes présentant une parfaite planéité et un excellent état de surface impactant le coût de revient du dispositif. 3041155 2 Plus la puissance électrique à fournir est forte, plus le nombre de tubes à empiler doit être grand et/ou plus la surface des tubes à employer doit être large, compliquant encore la bonne application des éléments thermo électriques sur les tubes. 5 Une première solution consiste à renforcer le contact grâce à des tirants externes exerçant un effort de compression sur l'empilement de tubes. Une telle solution est en outre réservée à des configurations dans lesquelles les tubes sont empilés les uns au-dessus des autres, ce qui limite les possibilités 10 d'intégration dans une ligne d'échappement. Une seconde solution consiste à utiliser de grandes surfaces élémentaires de compression telles que des ailettes. Toutefois, cette solution ne permet pas d'assurer un serrage homogène sur l'ensemble des éléments 15 thermo électriques. En effet, afin d'assurer le serrage, il est nécessaire d'appliquer des forces de serrage importantes et des déformations des surfaces planes apparaissent au cours du temps. On connait également des dispositifs thermo électriques de 20 configuration cylindrique. Un tel dispositif est représenté sur la figure 1 et comprend un anneau support 1 chemisant une conduite de circulation des gaz d'échappement, non représentée, et sur lequel sont solidariser des éléments thermo électriques 2, lesdits éléments thermo électriques 2 étant solidarisés sur la paroi externe dudit anneau 1, et des seconds tubes 3 destinés à la 25 circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement, lesdits second tubes 3 s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe longitudinal de la conduite de circulation des gaz d'échappement. Afin de procurer un bon serrage de l'anneau sur la conduite de 30 circulation des gaz d'échappement, ledit anneau est avantageusement deformable. Néanmoins, cet anneau procure une résistance thermique supplémentaire qui grève le rendement des éléments thermo électriques et il 3041155 3 ne permet pas de rattraper suffisamment les défauts de forme des différents composants grevant également le rendement du dispositif thermo électrique. Afin de remédier à ces inconvénients, Il a déjà été développé par la 5 demanderesse un dispositif thermo électrique de configuration cylindrique, représenté sur la figure 2, comprenant au moins une pluralité de modules thermo électriques 4, chaque module thermo électrique 4 comprenant au moins un élément thermo électrique 2, permettant de créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre deux de leurs 10 faces, dites faces de contact, et une pluralité de coins 5 venant en appui sur deux desdits modules thermo électriques 4 adjacents pour maintenir lesdits modules 4 autour d'un axe. Cette configuration est facilement intégrable dans un conduit 15 d'échappement de véhicule et elle procure un serrage symétrique et auto- équilibré des modules thermo-électriques 4 améliorant ainsi le transfert des calories et, in fine, le rendement desdits éléments thermo-électriques. Toutefois, ces configurations présentent plusieurs inconvénients. Les 20 éléments thermo électriques ainsi que les tubes de circulation d'un fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement doivent être positionnés indépendamment pour être assemblés, ce qui grève le coût de fabrication de ces dispositifs thermo électriques. Par ailleurs, ces configurations nécessitent l'utilisation de pièces intermédiaires qui doivent être isolées électriquement 25 pour éviter tout court circuit, grevant également le coût de fabrication. De plus, ces configurations nécessitent des résistances électriques additionnelles entre les éléments thermo électriques et les tubes de circulation du fluide caloporteur du circuit de refroidissement. Enfin, le morcellement de la section de passage du fluide caloporteur du circuit de refroidissement en une 30 multitude de petites tubulures procure une perte de charge importante qui nuit à l'efficacité de ces dispositifs thermo électriques. 3041155 4 L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet une module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action 5 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, un 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 module comprenant 10 en outre un tube sur lequel sont montés les éléments thermo électriques ledit tube étant configuré pour assurer un auto-centrage des éléments thermo électriques avant montage sur ledit tube. Une telle solution facilite le montage du module et contribue à un 15 bon contact entre les composants du module ce qui favorise son rendement. Selon un aspect de l'invention, le tube est configuré pour être expansé pour réaliser le sertissage mécanique des éléments thermo électriques sur ledit tube. L'expansion du tube permet de réduire la perte de 20 charge du premier fluide et, ainsi, d'améliorer l'efficacité du module thermo électrique. Selon un autre aspect de l'invention, chaque élément thermo électrique présente une forme de rondelle cylindrique muni d'un trou 25 circulaire central. Selon un aspect de l'invention, ledit tube comprend en outre une électrode tubulaire dite intérieure solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique, ledit tube étant en contact avec lesdites 30 électrodes (15). 3041155 5 Selon un mode de réalisation, les électrodes intérieures de deux éléments thermo électriques (1n,1p) adjacents sont brasées. Selon un aspect de l'invention, chaque électrode consiste en un tube 5 de section circulaire en cuivre et faisant saillie de l'une des faces dudit élément thermo électrique et étant en retrait de la face opposée à l'intérieur de l'évidement central. Selon un aspect de l'invention, ledit tube est un tube anodisé de 10 façon à assurer une isolation électrique, en particulier entre une âme dudit tube et lesdits électrodes intérieures. Afin d'améliorer l'efficacité du module suivant l'invention, chaque élément thermo électrique pourra comporter des ailettes s'étendant depuis la 15 face extérieure dudit élément thermo électrique et perpendiculairement à l'axe de son évidement central. L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules tels que décrits précédemment. 20 Avantageusement, ledit dispositif est configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent entre les ailettes, lesdits gaz définissant le second fluide. 25 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques en forme de cylindre ou de prisme droit 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 30 définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide 3041155 6 étant destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure; ledit procédé comprenant au moins une étape d'emmanchement desdits éléments thermo électriques sur un tube, notamment un tube en aluminium anodisé, de 5 diamètre externe tout juste inférieur au diamètre interne des électrodes desdits éléments thermo électriques. Selon un aspect de l'invention, ledit procédé comprend en outre une étape d'expansion du tube depuis l'intérieur de ce dernier vers l'extérieur afin 10 de sertir lesdits éléments thermo électriques (1n,lp) sur ledit tube. Selon un aspect de l'invention, ledit module comprend en outre une électrode tubulaire dite intérieure solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique et ledit procédé comprend en outre une étape de 15 soudure deux à deux des électrodes intérieures des éléments thermo électriques, notamment des éléments thermo électriques autocentrés sur le tube. Selon un aspect de l'invention, l'expansion du tube est 20 avantageusement réalisée par hydroformage à matrice fixe, les éléments thermo électriques formant la matrice fixe. 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 25 limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un premier module thermo électrique de configuration cylindrique de l'art antérieur, la figure 2 est une représentation schématique de côté d'un second module électrique de configuration cylindrique de l'art 30 antérieur, la figure 3 est une vue en perspective d'un module thermo électrique conforme à l'invention, 3041155 7 la figure 4 est une vue en perspective partielle du module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 5 est une représentation schématique en coupe longitudinale du module thermo électrique conforme à 5 l'invention. Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références. 10 Comme illustré sur les figures 3 à 5, l'invention concerne un module thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments thermo électriques 10n,10p, en forme de cylindre ou de prisme droit 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 11a 15 définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure 11b définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide consistant dans le fluide caloporteur d'un circuit de refroidissement étant destiné à circuler à travers l'évidement central dans un tube 3 et un second fluide consistant dans les gaz chauds d'échappement étant destiné à 20 circuler autour de la périphérie extérieure. On notera que les faces extérieures 11a et intérieures 11b des éléments thermo électriques 1 sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale 25 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 intérieure 11b et extérieure 11a des éléments thermo électriques 1n,1p 30 soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments thermo électriques 1n,1p sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). 3041155 8 Les éléments thermo électriques pourront être, pour une première partie, des éléments lp d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont 5 soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments ln 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. 10 Aux figures 3 à 5, les éléments thermo électriques 1 représentés 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. 15 La surface extérieure lla présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la surface intérieure 11b. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ 2 fois celui de la surface intérieure 11b. Chaque élément thermo électrique 1 présente, par exemple, deux 20 faces planes parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant chaque élément thermo électrique 1 est de section annulaire rectangulaire. Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont disposés dans le prolongement longitudinal l'un de l'autre, notamment de façon coaxiale, et 25 les éléments thermo électriques de type P alternent avec les éléments thermo électriques de type N, selon une direction D. 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. 30 Lesdits éléments thermo électriques lp, ln sont groupés par paire, chaque paire étant formée d'un dit élément thermo électrique de type P et 3041155 9 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 1 d'une même paire et une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo 5 électriques 1 de ladite même paire et l'élément thermo électrique 1 voisin de la paire voisine. On assure de la sorte une circulation en série du courant électrique entre les éléments thermo électriques lp, ln disposés les uns à côtés des autres selon la direction D. 10 Ledit module comprend en outre des moyens d'isolation électrique 12 disposés entre deux faces en vis-à-vis d'éléments thermo électriques voisins lp, ln selon la direction d'extension D longitudinale du tube 3. En référence aux figures 3 à 5, ledit module comprend des premiers 15 moyens de connexion électrique 13 reliant les surfaces de périphérie extérieure lla de deux desdits éléments thermo électrique ln et lp, prévus adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique consistent en une électrode tubulaire 12 dite extérieure solidaire de la face extérieure de chaque élément thermo électrique ln, lp, en cuivre 20 permettant de braser deux éléments thermo électriques ln, lp contigus. Cette électrode tubulaire extérieure 13 présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,3 mm pour des éléments thermo électriques ln,lp présentant un diamètre externe compris entre 15 et 19 mm. 25 On observera que l'électrode extérieure 13 pourra consister dans toute couche de matière électriquement conductrice, telle qu'une couche de Nickel par exemple sans sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, l'épaisseur de l'électrode extérieure 13 pourra aisément être déterminée par l'Homme du Métier et dépend, outre le matériau dans lequel elle est obtenue, du 30 diamètre externe des éléments thermo électriques ln,lp. 3041155 10 Accessoirement, ledit module comprend avantageusement des surfaces d'échange secondaire, en particulier des ailettes 14, avec le second fluide. On augmente de la sorte la surface d'échange entre les éléments thermo électriques 1 et ledit second fluide. Lesdites ailettes 14 sont 5 disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo électriques 1. 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. 10 Lesdites ailettes 14 pourront comprendre un revêtement catalytique pour assurer une conversion catalytique de composants toxiques du second fluide. Dans le cas de gaz d'échappement, ledit module pourra de la sorte équiper un pot catalytique en complément ou substitution des composants servant classiquement à la catalyse dans de tels équipements. 15 Lesdites ailettes 14 sont fixées sur l'électrode extérieure 13 par sertissage et/ou brasage. Par ailleurs, le module comprend des seconds moyens de connexion 20 électrique consistant en une électrode dite intérieure 15 qui est constituée, par exemple, d'un tube de section circulaire en cuivre, solidaire de la face intérieure llb de chaque élément thermo électrique ln, lp et faisant saillie de l'une des faces dudit élément thermo électrique ln, lp et étant en retrait de la face opposée à l'intérieur de l'évidement central. Ces moyens de 25 connexion électrique permettent d'établir une connexion électrique entre les surfaces de périphérie intérieure de deux desdits éléments thermo électrique ln, lp, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique. 30 Autrement dit, lesdits premiers 13 et seconds 15 moyens de connexion électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 3041155 11 ln, lp de façon à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique ln,lp du module. Le tube 3 sur lequel sont montés les éléments thermo électriques 5 ln,lp consiste en un tube en aluminium anodisé 3 de section circulaire et dont le diamètre externe tout juste inférieure au diamètre interne des éléments thermo électriques ln,lp afin de permettre un enfilage desdits éléments thermo électriques ln,lp avec un auto centrage des ces derniers. Après l'enfilage des éléments thermo électriques ln, lp sur le tube en 10 aluminium anodisé 3, ce dernier est expansé pour réaliser le sertissage mécanique des éléments thermo électriques ln,lp sur ledit tube 3. L'expansion du tube en aluminium anodisé 3 permet de réduire la perte de charge du premier fluide et, ainsi, d'améliorer l'efficacité du module 15 thermo électrique. Par ailleurs, on comprend bien que le tube d'aluminium anodisé 3 permet d'auto centrer les éléments thermo électriques ln,lp, de maintenir lesdits éléments thermo électriques ln,lp par sertissage mécanique, de 20 réduire la résistance thermique totale entre le fluide caloporteur, c'est-à-dire le premier fluide, et les éléments thermo électriques en utilisant qu'une seule pièce. De plus, le tube en aluminium étant anodisé, l'isolation électrique des éléments thermo électriques ln,lp est assurée sans utiliser de pièce additionnelle. 25 Ainsi, le procédé de fabrication du module consiste à emmancher lesdits éléments thermo électriques ln,lp sur un tube en aluminium anodisé 3 de diamètre externe tout juste inférieur au diamètre interne des électrodes intérieures 15 desdits éléments thermo électriques ln,lp, à souder deux à 30 deux les électrodes intérieures 15 des éléments thermo électriques ln,lp autocentrés sur le tube d'aluminium anodisé 3, puis à procurer une expansion du tube d'aluminium anodisé 3 depuis l'intérieur de ce dernier vers l'extérieur 3041155 12 afin de sertir lesdits éléments thermo électriques 1n,1p sur ledit tube 3. De préférence, l'expansion du tube d'aluminium anodisé 3 est réalisée par hydroformage à matrice fixe, les éléments thermo électriques 1n,1p formant alors la matrice fixe. Toutefois, l'expansion du tube anodisé 3 pourra être 5 réalisée par tout autre procédé bien connu de l'homme du métier. On comprend bien que, selon le ou les modes de réalisation avantageux de l'invention évoqué plus haut, le tube d'aluminium anodisé permet d'auto centrer les éléments thermo électriques, de maintenir lesdits 10 éléments thermo électriques par sertissage mécanique, de réduire la résistance thermique totale entre le fluide caloporteur, c'est-à-dire le premier fluide, et les éléments thermo électriques en utilisant qu'une seule pièce. De plus, le tube en aluminium étant anodisé, l'isolation électrique des éléments thermo électriques est assurée sans utiliser de pièce additionnelle. 15 Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques (1n,1p) en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central, susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure (11a) définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure (11b) définie par une surface de périphérie intérieure, un 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 module comprenant en outre un tube (3) sur lequel sont montés les éléments thermo électriques (1n,1p), ledit tube (3) étant configuré pour assurer un auto-centrage des éléments thermo électriques (1n,1p) avant montage sur ledit tube (3). 2. Module selon la revendication 1 dans lequel ledit tube est un tube anodisé de façon à assurer une isolation électrique. 3. Module selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel le tube (3) configuré pour être expansé pour réaliser le sertissage mécanique des éléments thermo électriques (1n,1p) sur ledit tube (3). 4. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel chaque élément thermo électrique (1n,1p) présente une forme de rondelle cylindrique muni d'un trou circulaire central. 5. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant en outre une électrode tubulaire dite intérieure (15) solidaire de la face intérieure de chaque élément thermo électrique (1n,1p), ledit tube (3) étant en contact avec lesdites électrodes (15). 3041155 14 6. Module selon la revendication précédente dans lequel les électrodes intérieures (15) de deux éléments thermo électriques (1n,1p) adjacents sont brasées. 5 7. Module selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 dans lequel chaque électrode (15) consiste en un tube de section circulaire en cuivre et faisant saillie de l'une des faces dudit élément thermo électrique (1n,1p) et étant en retrait de la face opposée à l'intérieur de l'évidement central. 10 8. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel chaque élément thermo électrique (1n,1p) comporte des ailettes (14) s'étendant depuis la face extérieure dudit élément thermo électrique (1n,1p) et perpendiculairement à l'axe de son évidement central. 15 9. Dispositif thermo électrique comprenant au moins un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 précédentes. 10. Dispositif thermo électrique selon la revendication 9 20 configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile, lesdits gaz définissant le second fluide. 11. Procédé de fabrication d'un module thermo électrique comprenant au moins une pluralité d'éléments thermo électriques (1n,1p) en 25 forme de cylindre ou de prisme droit 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 (11a) définie par une surface de périphérie extérieure et une seconde face dite intérieure (11b) définie par une surface de périphérie intérieure, un premier fluide étant 30 destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure; ledit procédé comprenant au moins une étape d'emmanchement desdits éléments thermo électriques (1n,1p) sur un tube (3) de diamètre externe tout juste inférieur au 3041155 15 diamètre interne des électrodes intérieures (15) desdits éléments thermo électriques (1n,1p). 12. Procédé selon la revendication précédente comprenant 5 en outre une étape d'expansion du tube (3) depuis l'intérieur de ce dernier vers l'extérieur afin de sertir lesdits éléments thermo électriques (1n,1p) sur ledit tube (3). 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 10 ou 12 dans lequel ledit module comprend en outre une électrode tubulaire dite intérieure (15) solidaire de la face intérieure (11b) de chaque élément thermo électrique (1n,1p); ledit procédé comprenant en outre une étape de soudure deux à deux des électrodes intérieures (15) des éléments thermo électriques (1n,1p). 15 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 dans lequel l'expansion du tube (3) est réalisée par hydroformage à matrice fixe, les éléments thermo électrique (1n,1p) formant la matrice fixe.