Brevet FR3056855A1 — publié le 20180330

GENERATEUR THERMOELECTRIQUE POUR VEHICULE A MOTEUR THERMIQUE. La présente invention concerne un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne. L'invention s'applique à la récupération d'énergie thermique issue du fonctionnement de ce véhicule pour générer de l'énergie électrique dans le véhicule. On connaît dans des véhicules automobiles des générateurs thermoélectriques utilisant des rangées d'éléments thermoélectriques pour générer un courant électrique en présence d'un gradient de température entre deux de leurs faces opposées, par effet Seebeck. Ces générateurs comprennent usuellement un empilement de nappes de tubes chauds véhiculant des gaz d'échappement du véhicule et de tubes froids véhiculant un liquide de refroidissement, entre et au contact desquels les éléments thermoélectriques sont pris en sandwich typiquement par brasure au contact des tubes chauds. Ces éléments sont soumis à un gradient de température généré par l'écart de température entre ces gaz et ce liquide, de sorte que ces générateurs permettent de produire de l'électricité à partir d'une conversion de ce gradient thermique issu du recyclage des gaz. Dans ces générateurs, un objectif principal est d'optimiser le ratio du volume des éléments thermoélectriques sur le volume de l'ensemble du générateur. A cet effet, on cherche généralement à minimiser les distances entre les tubes chauds d'une même nappe chaude (i.e. d'un même étage de tubes chauds) et les tubes froids. La figure 1 annexée à la présente description montre schématiquement en section transversale un empilement unitaire de l'art antérieur, comprenant un tube chaud 1 de section rectangulaire dont les deux grandes faces supérieures et inférieures 1a sont respectivement équipées de deux séries d'éléments thermoélectriques cubiques 2 revêtues de pistes planes de conduction électrique 2a en contact avec ces faces 1 a et avec deux séries supérieures et inférieures de tubes froids 3 extérieurs pour cet empilement unitaire. Dans un générateur de l'art 3056855 2 antérieur comportant une pluralité d'empilements unitaires selon la figure 1, le nombre de nappes de tubes froids 3 est égal au double du nombre de nappes de tubes chauds 1, comme visible à la figure 2 qui montre schématiquement un empilement à deux nappes de tubes chauds 1 qui sont chacune pourvues 5 séparément de deux nappes de tubes froids 3 pour enserrer deux séries d'éléments thermoélectriques 2 prises respectivement en sandwich entre deux paires distinctes de nappes de tubes froids 3, soit au total quatre nappes froides pour deux nappes chaudes. Les figures 3a et 3b montrent en vues respectivement éclatée 10 et assemblée une nappe de quatre tubes chauds rectangulaires 1 revêtus sur leurs deux grandes faces d'éléments thermoélectriques 2 pris en sandwich entre deux nappes supérieure et inférieure de tubes froids 3, elles-mêmes revêtues de plaques supérieure et inférieure de fermeture 4. Chaque nappe de tubes froids 3 est alimentée de manière connue en liquide de 15 refroidissement en étant connectée à un circuit d'alimentation commun par deux collecteurs tubulaires supérieur et inférieur 5 qui s'étendent dans une direction longitudinale parallèle à l'axe de symétrie de chaque tube chaud 1 et qui sont respectivement en communication fluidique avec des bords latéraux des deux nappes de tubes froids 3. Or, ces collecteurs 5 contribuent à 20 augmenter le volume global du générateur incorporant de tels empilements, notamment dans la direction de superposition des différentes nappes. Les documents US 2015/0333244 Al et JP 5673426 B2 présentent d'autres types de générateurs thermoélectriques, dans lesquels des nappes de tubes froids sont communes à deux étages consécutifs 25 d'éléments thermoélectriques mais sans contacts individuels entre les nappes froides et les étages d'éléments thermoélectriques. En d'autres termes, ces générateurs utilisent un seul tube froid pour connecter tous les éléments thermoélectriques d'un même étage, ce qui présente l'inconvénient majeur de pénaliser le contact thermique entre les surfaces d'aires élevées des éléments 30 thermoélectriques et des tubes froids, notamment en raison des défauts de planéité de ces surfaces et de la grande difficulté d'appliquer une pression homogène sur l'intégralité de ces surfaces d'aires élevées. 3056855 3 Un but de la présente invention est de proposer un générateur thermoélectrique destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne qui remédie à l'ensemble des inconvénients précités, le générateur comprenant un empilement selon une direction déterminée de: 5 - Ny nappes chaudes, Ny étant un entier égal ou supérieur à 2, qui contiennent chacune au moins un tube chaud adapté pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule, - Ny' nappes froides, Ny' étant un entier égal ou supérieur à 3, qui contiennent chacune au moins un tube froid adapté pour véhiculer un 10 liquide de refroidissement du véhicule, les nappes froides étant montées en alternance avec les nappes chaudes selon la direction de l'empilement, et - d'éléments thermoélectriques intercalés dans l'empilement entre lesdits tubes chauds et lesdits tubes froids, les éléments thermoélectriques étant chacun au contact d'une desdites nappes chaudes et 15 d'une desdites nappes froides adjacentes. A cet effet, un générateur thermoélectrique selon l'invention est tel que Ny et Ny' vérifient la relation 3 Ny' REVENDICATIONS1) Générateur thermoélectrique (10) destiné à équiper un véhicule à moteur thermique à combustion interne, le générateur comprenant 5 un empilement selon une direction (Y) de: - Ny nappes chaudes (11), Ny étant un entier égal ou supérieur à 2, qui contiennent chacune au moins un tube chaud (1) adapté pour véhiculer des gaz d'échappement à haute température du véhicule, - Ny' nappes froides (13a, 13b), Ny' étant un entier égal ou 10 supérieur à 3, qui contiennent chacune au moins un tube froid (3) adapté pour véhiculer un liquide de refroidissement du véhicule, les nappes froides étant montées en alternance avec les nappes chaudes selon la direction de l'empilement, et - d'éléments thermoélectriques (2) intercalés dans 15 l'empilement entre lesdits tubes chauds et lesdits tubes froids, les éléments thermoélectriques étant chacun au contact d'une desdites nappes chaudes et d'une desdites nappes froides adjacentes, caractérisé en ce que Ny et Ny' vérifient la relation : 3 Ny' 2) Générateur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que Ny et Ny' vérifient la relation 3 Ny' 3) Générateur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce 25 que Ny et Ny' vérifient la relation Ny' = Ny + 1, lesdites Ny' nappes froides (13a, 13b) comprenant : - Ny' - 2 dites nappes froides intérieures (13a) qui sont chacune intercalées entre deux nappes chaudes (11) consécutives dans ledit empilement, et 30 - deux dites nappes froides extérieures (13b) qui sont respectivement supérieure et inférieure pour ledit empilement et entre 3056855 13 lesquelles se succèdent en alternance lesdites nappes chaudes puis lesdites nappes froides intérieures. 4) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre Nx' desdits tubes froids (3) dans chacune desdites Ny' nappes froides (13a, 13b) est égal au nombre Nx desdits tubes chauds (1) dans chacune desdites Ny nappes chaudes (11) et vérifie la relation suivante : Nx' N /f où N tubes, - 0- -tubes est le nombre total desdits tubes 10 chauds dans le générateur. 5) Générateur (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre Nx' desdits tubes froids (3) dans chacune desdites Ny' nappes froides (13a, 13b) est égal ou supérieur à 6. 15 6) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites Ny' nappes froides (13a, 13b) sont chacune en communication fluidique avec des collecteurs (15) du liquide de refroidissement et sont adaptées pour former une source froide 20 individualisée pour lesdits éléments thermoélectriques (2) intercalés entre deux dites nappes froides consécutives (13a et 13b) dans ledit empilement et l'un desdits tubes chauds (1) qui est intérieur auxdites deux nappes froides consécutives. 25 7) Générateur (10) selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que lesdites deux nappes froides extérieures (13b) sont chacune surmontées de moyens (14, 16) pour serrer ledit empilement qui comprennent des plaques extérieures de serrage (14) et des joints élastomères (16) de serrage, chaque joint étant comprimé entre l'une desdites plaques et un dit 30 tube froid (3) de chaque nappe froide extérieure, ces joints étant adaptés pour compenser des défauts de planéité lors du serrage de l'empilement et pour être thermiquement conducteurs. 3056855 14 8) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur comprend en outre des moyens (17) pour réaliser un écran thermique qui sont montés latéralement de part et d'autre 5 dudit au moins un tube chaud (1) de chacune desdites nappes chaudes (11) et qui sont adaptés pour réduire le rayonnement provenant dudit au moins un tube chaud vers lesdits éléments thermoélectriques (2) voisins. 9) Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce 10 que lesdits moyens (17) pour réaliser un écran thermique comprennent des éléments en acier revêtu, de préférence en acier revêtu d'un alliage aluminium-silicium. 10) Générateur (10) selon une des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que lesdits Nx tubes chauds (1) de chacune desdites Ny nappes chaudes (11) présentent chacun en section transversale une forme sensiblement rectangulaire à deux grands côtés supérieur et inférieur (1a) recevant deux séries supérieure et inférieure des éléments thermoélectriques (2). 20 11) Générateur (10) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits éléments thermoélectriques (2) sont constitués de plots prismatiques, par exemple parallélépipédiques ou cubiques. 25