Brevet FR3041156A1 — 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 par la demanderesse des éléments thermo électriques de forme annulaire dans lesquels le gradient de température permettant de générer le courant électrique est imposé entre deux de leurs faces cylindriques opposées, le fluide chaud et le fluide froid circulant coaxialement, l'un à l'intérieur de l'anneau et l'autre à l'extérieur. Ce type d'éléments thermo électriques présente des difficultés d'intégration qui 3041156 2 entrainent l'engagement d'une quantité importante de matière grevant le coût de revient et augmentant l'inertie thermique du dispositif. Afin de remédier à ces inconvénients, la demanderesse a développé 5 un module thermo électrique 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 est représenté sur la figure 1 et comporte une pluralité d'éléments thermo électriques ln, lp de forme annulaires disposés dans le prolongement 10 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 ln, lp comporte des ailettes 2 s'étendant depuis la périphérie extérieure, transversalement et radialement. Ces ailettes 2, usuellement obtenues dans de l'aluminium ou de 15 l'inox et serties sur le diamètre extérieure des anneaux des éléments thermo électriques ln, lp, permettent de favoriser les échanges thermiques avec les gaz chauds d'échappement qui circulent à travers lesdites ailettes 2, un fluide froid circulant au centre des éléments thermo électriques à travers un tube 3 en aluminium, et extraire le maximum de chaleur des gaz d'échappement qui 20 circulent dans une enveloppe 4 coiffant lesdits éléments thermo électriques ln, lp et les ailettes 2, entre lesdites ailettes 2, pour transférer ladite chaleur aux matériaux thermo électriques. Dans ce type d'assemblage, les éléments thermo électriques ln, lp 25 sont en appui contre les parois d'extrémités de l'enveloppe 4 cylindrique et des dilatations différentielles apparaissent entre les différents éléments qui sont obtenus dans des matériaux différents. Ainsi, les éléments thermo électriques ln, lp étant généralement constitués de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3), le tube 3 étant obtenu en aluminium et l'enveloppe 4 étant obtenue 30 dans de la céramique moulée, du mica extrudé ou encore de l'alumine qui ont des coefficients très différents, d'un facteur 2 à 3, des écarts dimensionnels longitudinaux de plusieurs millimètres peuvent apparaître, lesdits écarts 3041156 3 dimensionnels étant susceptibles d'endommager soit l'enveloppe 4 soit les éléments thermo électriques ln, lp. Par exemple, l'enveloppe 4 subit une faible dilatation longitudinale, représentée par la flèche a, alors que le tube 3 subit une forte dilatation longitudinale, représentée par la flèche b, lorsque 5 les gaz d'échappement d'une température d'environ 650°C circulent dans ladite enveloppe 4. L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un module thermo électrique comprenant une pluralité d'éléments thermo 10 électriques ayant un premier coefficient de dilatation, lesdits éléments thermo électriques étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure et une seconde face dite intérieure, lesdits éléments thermo électriques étant empilés selon une direction d'empilement, ledit module 15 comprenant en outre une couche obtenue dans un matériau présentant un second coefficient de dilatation inférieur au premier coefficient de dilatation des éléments thermo électriques et coiffant ces derniers, ledit module comprenant au moins un volume de compensation de la dilatation, situé dans le prolongement desdits éléments thermo électriques dans ladite direction 20 d'empilement et dans lequel s'étend au moins un élément deformable. On comprend bien que le volume de compensation et le ou les éléments déformables permettent d'absorber les écarts de longueur, en particulier entre le corps rigide en céramique et les éléments thermo 25 électriques, écarts qui peuvent être de plusieurs millimètres lors du fonctionnement en température élevée, de l'ordre de 650°C, et éviter une rupture soit de la céramique soit des éléments thermo électriques. Selon un aspect de l'invention, lesdits éléments thermo électriques 30 sont en forme de cylindre ou de prisme droit et présentant un évidement central. Lesdites faces extérieures sont définies par des surfaces de périphérie extérieure des éléments thermo électriques. Lesdites faces intérieures sont 3041156 4 définies par des surfaces de périphérie intérieure desdits éléments thermo électriques. Un premier fluide est destiné à circuler à travers l'évidement central et un second fluide étant destiné à circuler autour de la périphérie extérieure. 5 Selon un aspect de l'invention, ledit matériau présentant un second coefficient de dilation forme une enveloppe coiffant lesdits éléments thermo électriques. Ladite enveloppe pourra comprendre le ou lesdits volumes de 10 compensation de la dilatation. Ledit élément déformable pourra être en appui sur une paroi interne de l'enveloppe et/ou sur au moins un élément thermo électrique. Selon un aspect de l'invention, ledit élément déformable consiste en 15 une rondelle obtenue dans un matériau souple et résistant à des températures jusqu'à 800°C. Selon un exemple de réalisation, ledit élément déformable consiste en une rondelle en graphite. 20 De manière avantageuse, chaque rondelle formant un élément déformable présente une épaisseur supérieure à 2 mm. Selon un aspect de l'invention, ledit élément déformable consiste en 25 une rondelle ressort. De manière avantageuse, la rondelle ressort est obtenue dans un alliage métallique présentant un point de fusion supérieur à 1000°C et un coefficient de dilatation thermique à 20-100°C inférieur à 15x10-6 K-1. 30 Selon un aspect de l'invention, la rondelle ressort est obtenue dans un alliage métallique comportant au moins du Fer, du Nickel et du Chrome. 3041156 5 Selon un exemple de réalisation, la rondelle ressort consiste en une rondelle de type Belleville et/ou en une rondelle ondulée. 5 Selon un autre aspect de l'invention, ledit élément deformable consiste en une chambre pneumatique. Selon un aspect de l'invention, les éléments thermo électriques sont empilés sur un tube, ledit tube s'étendant dans les évidements centraux 10 desdits éléments thermo électriques et dans un évidement central dudit ou desdits élément(s) déformable(s). L'invention concerne aussi un dispositif thermo électrique comprenant une pluralité de modules tels que décrits précédemment. 15 Avantageusement, ledit dispositif est configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz circulent dans l'enveloppe, lesdits gaz définissant le 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 coupe longitudinale d'un module électrique de l'art antérieur comportant une pluralité d'éléments 25 thermo électriques coiffés par une enveloppe, la figure 2 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un module thermo électrique conforme à l'invention, la figure 3 est une représentation schématique en coupe 30 longitudinale d'une variante d'exécution du module thermo électrique conforme à l'invention. 3041156 6 Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références. Comme illustré à la figure 2, l'invention concerne un module thermo 5 électrique, ledit module comprend au moins un élément thermo électrique 1, ici une pluralité d'éléments thermo électriques ln,lp, 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 définie par une surface de périphérie 10 extérieure et une seconde face dite intérieure définie par une surface de périphérie 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 4 coiffant le ou lesdits éléments thermo électriques 1. 15 On notera que les faces extérieures et intérieures des éléments thermo électriques 1 sont par exemple circulaires. Toutefois, de façon plus générale, toute section de forme arrondie, telle qu'une forme ovale par exemple, et/ou polygonale est possible. 20 De tels éléments fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre les faces intérieure et extérieure des éléments thermo électriques ln,lp soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels 25 éléments sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3). 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 30 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 3041156 7 de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température. Lesdits éléments thermo électriques 1 représentés sont constitués 5 d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau. La surface extérieure présente, par exemple, un rayon compris entre 1,5 et 4 fois le rayon de la surface intérieure. Il pourra s'agir d'un rayon égal à 10 environ 2 fois celui de la surface intérieure. Chaque élément thermo électrique 1 présente, par exemple, deux faces planes parallèles opposées. Autrement dit, l'anneau constituant l'élément thermo électrique 1 est de section annulaire rectangulaire. 15 Lesdits éléments thermo électriques lp, ln 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, 20 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. 25 Lesdits éléments thermo électriques lp, ln 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 1 d'une même paire et 30 une circulation de courant entre les secondes surfaces de chacun des éléments thermo 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 3041156 8 série du courant électrique entre les éléments thermo électriques lp, ln disposés les uns à côtés des autres selon la direction D. Pour la circulation des fluides, le module conforme à l'invention 5 pourra comprendre un canal de circulation de liquide froid au contact de ladite seconde surface desdits éléments thermo électriques lp, ln. Selon ce qui précède, le canal de circulation de liquide froid est unique, placé au centre du module, et est constitué d'un tube en aluminium 10 par exemple. Selon une variante, il pourra être prévu une pluralité de canaux de circulation de liquide froid. Le ou lesdits canaux de circulation de liquide sont, par exemple, de section circulaire. 15 Ainsi, ledit module comprend un tube 3 de circulation de liquide froid sur lequel sont montés une pluralité d'éléments thermo électriques 1 du même type alternant selon la direction d'extension longitudinale D du tube 3 avec un élément thermo électrique de l'autre type, ladite direction D 20 correspondant à une direction d'empilement desdits éléments thermo électriques. Ledit module pourra comprendre en outre des moyens d'isolation électrique, non représentés sur les figures, disposés entre deux faces en vis-à- 25 vis d'éléments thermo électriques voisins lp, ln selon la direction d'extension D longitudinale du tube 3. Ledit module pourra en outre comprendre des premiers moyens de connexion électrique, non représentés sur les figures, reliant les surfaces de 30 périphérie extérieur de deux desdits éléments thermo électrique, prévus adjacents et de types différents. Lesdits premiers moyens de connexion électrique comprennent, par exemple, une couche de matière électriquement 3041156 9 conductrice, notamment en cuivre et/ou en nickel, de revêtement desdits éléments thermo électriques lp, ln. Ledit module pourra comprendre accessoirement des surfaces 5 d'échange secondaire, en particulier des ailettes 2, 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 2 sont disposées, par exemple, transversalement, en particulier radialement auxdits éléments thermo électriques 1. Elles sont ici positionnées parallèlement les unes aux 10 autres avec un écartement permettant un bon échange de chaleur avec le second fluide tout en limitant les pertes de charges. Lesdites ailettes 2 pourront être décentrées par rapport auxdits éléments thermo électriques lp, ln, notamment allongées du côté de l'arrivée du second fluide. 15 Lesdites ailettes 2 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. 20 Lesdites ailettes 2 sont fixées, par exemple, sur lesdits premiers moyens de connexion électrique, notamment par sertissage et/ou brasage. Le module pourra en outre comprendre des seconds moyens de 25 connexion électrique établissant une connexion électrique entre les surfaces de périphérie intérieur llb de deux desdits éléments thermo électrique 1, prévus adjacents, de types différents et non reliés par lesdits premiers moyens de connexion électrique. 30 Autrement dit, lesdits premiers et seconds moyens de connexion électrique relient deux à deux lesdits éléments thermo électriques 1 de façon 3041156 10 à établir une circulation électrique en série entre lesdits éléments thermo électrique 1 du module. Selon l'invention, l'enveloppe 4 qui présente un second 5 coefficient de dilatation thermique inférieur au premier coefficient de dilatation thermique des éléments thermo électriques 1 comporte un volume 5 dit de compensation de la dilatation dans lequel s'étend au moins un élément deformable 6 ici en appui sur la paroi interne de l'enveloppe 4, à l'une des extrémités de ladite enveloppe 4, et sur un élément thermo 10 électrique 1. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, ledit élément deformable consiste en une rondelle circulaire 6 obtenue dans un matériau souple et résistant à des températures jusqu'à 800°C. Ladite rondelle 6 consiste, par exemple, en une rondelle en graphite présentant une épaisseur supérieure à 2 mm, et dans le trou central de laquelle s'étend le 15 tube 3. Toutefois, il est bien évident que le volume de compensation 5 pourra recevoir plusieurs éléments déformables 6 telles que des rondelles en graphite. On notera que les dimensions du volume de compensation 5, ainsi que les dimensions et le nombre d'éléments déformables, pourront aisément être déterminés par l'homme du métier et dépendront notamment des 20 dimensions de chaque module thermo électrique ainsi que des coefficients de dilatation des éléments thermo électriques 1, du tube 3 et de l'enveloppe 4. Selon une variante d'exécution, non représentée sur les figures, le module thermo électrique suivant l'invention comporte deux volumes de 25 compensation, un volume de compensation 5 à chacune des extrémités de l'enveloppe 4, afin de compenser une très forte dilatation notamment dans le cas de modules de grande longueur par exemple. Ainsi, le volume de compensation 5 et le ou les éléments 30 déformables 6 permettent d'absorber les écarts de longueur entre le corps rigide en céramique de l'enveloppe 4 et les éléments thermo électriques 1 et/ou le tube 3, écarts qui peuvent être de plusieurs millimètres lors du 3041156 11 fonctionnement en température élevée, de l'ordre de 650°C. De cette manière, la dilatation des différents éléments est absorbée afin d'éviter une rupture soit de l'enveloppe 4 en céramique soit des éléments thermo électriques 1. 5 Dans un second exemple de réalisation, en référence à la figure 3, l'enveloppe 4 qui, de la même manière que précédemment, présente un second coefficient de dilatation thermique inférieur au premier coefficient de dilatation thermique des éléments thermo électriques 1 comporte un volume 10 5 dit de compensation de la dilatation dans lequel s'étend au moins un élément déformable 6 ici en appui sur la paroi interne de l'enveloppe 4, à l'une des extrémités de ladite enveloppe 4, et sur un élément thermo électrique 1. Cet exemple de réalisation diffère de celui précédemment décrit par le fait que l'élément déformable 6 consiste en une rondelle ressort telle 15 qu'une rondelle de type Belleville ou une rondelle ondulée par exemple dans le trou central de laquelle s'étend le tube 3. Ladite rondelle ressort est avantageusement obtenue dans un alliage métallique présentant un point de fusion supérieur à 1000°C et un coefficient de dilatation thermique à 20-100°C inférieur à 15x10-6 K-1. Ladite rondelle ressort pourra par exemple être 20 obtenue dans un alliage métallique comportant au moins du Fer, du Nickel et du Chrome. De la même manière que précédemment, le module thermo électrique suivant l'invention pourra comporter deux volumes de 25 compensation, un volume de compensation 5 à chacune des extrémités de l'enveloppe 4 sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Accessoirement, le ou les éléments déformables 6 pourront consister en tout élément déformable bien connu de l'homme du métier tel 30 qu'une chambre pneumatique ou hydraulique par exemple. 3041156 12 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 une pluralité d'éléments thermo électriques (1n,1p) ayant un premier coefficient de dilatation, lesdits éléments thermo électriques étant susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre une première face dite extérieure et une seconde face dite intérieure, lesdits éléments thermo électriques étant empilés selon un direction d'empilement, ledit module comprenant en outre un couche(4) obtenue dans un matériau présentant un second coefficient de dilatation inférieur au premier coefficient de dilatation des éléments thermo électriques (1n,1p) et coiffant ces derniers, ledit module comprenant au moins un volume de compensation (5) de la dilatation, situé dans le prolongement desdits éléments thermo électriques dans ladite direction d'empilement et dans lequel s'étend au moins un élément déformable (6). 2. Module selon la revendication 1 dans lequel ledit élément déformable (6) consiste en une rondelle obtenue dans un matériau souple et résistant à des températures jusqu'à 800°C. 3. Module selon la revendication 2 dans lequel ledit élément déformable (6) consiste en une rondelle en graphite. 4. Module selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 dans lequel chaque rondelle formant un élément déformable (6) présente une épaisseur supérieure à 2 mm. 5. Module selon la revendication 1 dans lequel ledit élément déformable (6) consiste en une rondelle ressort. 6. Module selon la revendication 1 dans lequel la rondelle ressort est obtenue dans un alliage métallique présentant un point de fusion 3041156 14 supérieur à 1000°C et un coefficient de dilatation thermique à 20-100°C inférieur à 15x10-6 K-1. 7. Module selon l'une quelconque des revendications 5 ou 5 6 dans lequel la rondelle ressort est obtenue dans un alliage métallique comportant au moins du Fer, du Nickel et du Chrome. 8. Module selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel la rondelle ressort consiste en une rondelle de type belleville. 10 9. Module selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel la rondelle ressort consiste en une rondelle ondulée. 10. Module selon la revendication 1 dans lequel ledit 15 élément deformable (6) consiste en une chambre pneumatique. 11. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans lequel les éléments thermo électriques (1n,1p) sont empilés sur un tube (3), ledit tube (3) s'étendant dans des évidements centraux desdits 20 éléments thermo électriques (1n,1p) et dans un évidement central dudit ou desdits élément(s) déformable(s) (6). 12. Dispositif thermo électrique comprenant au moins un module selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 précédentes. 25 13. Dispositif thermo électrique selon la revendication 12 configuré pour être positionné dans un conduit de gaz d'échappement de véhicule automobile.