Brevet FR3056715A1 — publié le 20180330

MODULE THERMOELECTRIQUE ET DISPOSITIF COMPRENANT UN TEL MODULE La présente invention concerne un module et un dispositif thermoélectrique, notamment destinés à générer un courant électrique dans un véhicule automobile. On connait des dispositifs utilisant des éléments, dits thermoélectriques, permettant de générer un courant électrique en présence d'un gradient de température selon un phénomène connu, par exemple sous le nom d'effet Seebeck. Ces dispositifs comprennent un empilement de premiers tubes, destinés à la circulation des gaz d'échappement chauds d'un moteur thermique, et de seconds tubes, destinés à la circulation d'un fluide froid provenant d'un circuit de refroidissement. Les éléments thermoélectriques sont agencés entre les premiers et les seconds tubes de façon à être soumis à un gradient de température provenant de la différence de température entre les gaz d'échappement et le fluide de refroidissement. Des tels dispositifs permettent ainsi de produire de l'électricité à partir d'une conversion de la chaleur provenant des gaz d'échappement du moteur. Néanmoins, un tel dispositif requiert un espace disponible significatif dans la ligne d'échappement du moteur et peut donc être difficile à mettre en oeuvre. En outre, les éléments thermoélectriques devant être disposés entre le gaz d'échappement chaud et le fluide de refroidissement froid, leur agencement est souvent contraint par l'agencement des premiers tubes et des seconds tubes entre eux. 3056715 2 Le but de l'invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients, notamment en proposant un module thermoélectrique suffisamment compact permettant de fournir une quantité satisfaisante d'électricité. 5 A cet effet, la présente invention a pour objet un module thermoélectrique comprenant : - une pluralité de premiers tubes configurés pour permettre la circulation d'un premier fluide, - une pluralité de seconds tubes configurés pour permettre la io circulation d'un second fluide, - une pluralité d'éléments thermoélectriques comprenant chacun au moins deux faces, les éléments thermoélectriques étant configurés pour créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre leurs faces, 15 les premiers tubes et les seconds tubes étant parallèles entre eux, de sorte que le premier fluide et le second fluide circulent dans le module thermoélectrique selon une même direction de circulation. Ainsi, l'agencement parallèle des premiers et des seconds tubes permet d'avoir de plus grandes possibilités de disposition des éléments 20 thermoélectriques. Selon une réalisation, les premiers tubes sont configurés pour la circulation d'un fluide chaud et les seconds tubes sont configurés pour la circulation d'un fluide froid, le fluide froid présentant une température inférieure à la température du fluide chaud. 25 Selon une autre réalisation, le module comprend au moins un collecteur configuré pour permettre une circulation du second fluide dans au moins une partie des seconds tubes, le collecteur étant agencé entre une extrémité des premiers tubes et une extrémité des seconds tubes. Selon une autre réalisation, le module comprend un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, les collecteurs d'entrée et de sortie étant 3056715 3 respectivement agencés entre une extrémité des premiers tubes et une extrémité des seconds tubes. Selon une autre réalisation, la pluralité de premiers tubes consiste en un tube unique. 5 Selon une autre réalisation, le tube unique comprend au moins une bride à une extrémité des premiers tubes, la bride formant un rebord s'étendant dans une direction d'empilement perpendiculaire à la direction de circulation. Selon une autre réalisation, la circulation du second fluide s'effectue au io moins partiellement dans un sens opposé au sens de circulation du premier fluide. Selon une autre réalisation, le second fluide circule dans une première partie de seconds tubes dans le même sens que le sens de circulation du premier fluide, et le second fluide circule dans une seconde partie de 15 seconds tubes dans un sens opposé au sens de circulation du premier fluide. Selon une autre réalisation, le module comprend un collecteur, le collecteur comprenant une cloison entre une première partie et une seconde partie du collecteur, la cloison étant configurée pour permettre la 20 circulation de la totalité du second fluide par la première partie de seconds tubes puis par la seconde partie de seconds tubes. L'invention concerne également un dispositif thermoélectrique comprenant une pluralité de modules thermoélectriques selon l'invention, les modules étant superposés les uns sur les autres selon une direction 25 d'empilement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement 30 illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : 3056715 4 - la figure 1 représente une vue en perspective d'un module thermoélectrique selon une réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue de côté du module thermoélectrique de la figure 1 ; 5 - la figure 3 représente une vue en perspective des seconds tubes et des collecteurs selon une réalisation de l'invention ; et - la figure 4 représente une vue en perspective d'un dispositif comprenant une pluralité de modules thermoélectriques selon l'invention. io Comme illustrée plus particulièrement sur les figures 1 et 2, l'invention concerne un module thermoélectrique 1. Le module thermoélectrique 1 comprend une pluralité de premiers tubes 2. Le module thermoélectrique 1 comprend par exemple entre deux et dix 15 premiers tubes 2. Selon la réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, le module thermoélectrique 1 comprend plus particulièrement trois premiers tubes 2. Les premiers tubes 2 s'étendent de façon rectiligne selon une direction de circulation C. 20 Les premiers tubes 2 sont avantageusement tous de même longueur, voire sont tous identiques les uns des autres. Comme illustrés sur la figure 2, les premiers tubes 2 s'étendent dans un plan d'empilement P1. Les premiers tubes 2 sont agencés parallèlement les uns aux autres dans le plan d'empilement P1. 25 Comme illustrés sur la figure 1, les premiers tubes 2 sont espacés les uns des autres dans le plan d'empilement P1 d'un espace e constant. 3056715 5 L'espace e entre deux premiers tubes 2 successif est de préférence compris entre 1 et 10 millimètres. Selon la réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, les premiers tubes 2 consistent en des canaux d'un même tube unique 3. 5 Comme illustré sur la figure 2, le tube unique 3 comprend une première extrémité 4a et une seconde extrémité 4b. Le tube unique 3 comprend une bride 3a à sa première extrémité 4a. Le tube unique 3 comprend également une bride 3b à sa seconde extrémité 4b. Chaque bride 3a, 3b forme un rebord, s'étendant notamment selon une io direction d'empilement E perpendiculaire à la direction de circulation C. Chaque bride 3a, 3b a en particulier une hauteur h selon la direction d'empilement E. Chaque bride 3a, 3b a également une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 millimètres selon la direction de circulation C. 15 Chaque bride 3a, 3b s'étend respectivement de façon circonférentielle autour des extrémités 4a, 4b du tube unique 3, et en particulier autour des premiers tubes 2. Les premiers tubes 2 sont configurés pour permettre la circulation d'un premier fluide, appelé également fluide chaud. Le module thermoélectrique 20 1 comprend ainsi une entrée 17 et une sortie 18 de premier fluide illustrées sur la figure 4. Selon une réalisation, le premier fluide peut être un gaz d'échappement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Selon cette réalisation, les premiers tubes 2 peuvent être compris dans la 25 ligne d'échappement du moteur thermique du véhicule automobile. Les premiers tubes 2 sont par exemple en acier inoxydable. 3056715 6 Le module thermoélectrique 1 comprend également une pluralité de seconds tubes 6. Les seconds tubes 6 s'étendent de façon rectiligne selon la direction de circulation C entre une première 5a et une seconde extrémités 5b. 5 Les seconds tubes 6 sont avantageusement tous de même longueur, voire sont tous identiques. Les seconds tubes 6 ont avantageusement une longueur inférieure à la longueur des premiers tubes 2 selon la direction de circulation C. Comme illustrés sur la figure 2, les seconds tubes 6 sont agencés selon io deux rangs R1, R2, situés respectivement de part et d'autre des premiers tubes 2. Les seconds tubes 6 d'un rang R1, R2 s'étendent respectivement dans un plan parallèle au plan d'empilement P1. Les seconds tubes 6 au sein de chaque rang R1, R2 sont agencés parallèlement les uns aux autres. 15 Chaque rang R1, R2 de second tubes 6 comprend un nombre de tubes égal au nombre de premier tubes 2. En particulier, pour chaque premier tube 2, un second tube 6 est disposé en regard respectivement dans chaque rang R1, R2. Les seconds tubes 6 sont configurés pour permettre la circulation d'un 20 second fluide, appelé également fluide froid. Le second fluide présente ainsi une température inférieure à la température du premier fluide. Selon une réalisation, le second fluide est un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau ou un mélange d'eau et de glycol. Selon cette réalisation, le second fluide peut provenir d'une boucle de 25 refroidissement du véhicule automobile. Les seconds tubes 6 sont par exemple en aluminium et/ou en alliage. 3056715 7 Les premiers et seconds tubes 2, 6 sont des tubes plats. Par tube plat, on comprend que chaque premiers et seconds tubes 2, 6 présente respectivement deux grandes faces parallèles 2a, 2b, 6a, 6b reliées par des petits côtés. Les grandes faces des premiers tubes 2a, 2b et les grandes 5 faces des seconds tubes 6a, 6b sont avantageusement parallèles au plan d'empilement P1. Les premiers tubes 2 et/ou les seconds tubes 6 sont formés par profilage, soudage et/ou brasage. Le module thermoélectrique 1 comprend également une pluralité 10 d'éléments thermoélectriques 7. Chaque élément thermoélectrique 7 présente au moins deux faces 7a, 7b. Chaque élément thermoélectrique 7 a par exemple une forme sensiblement paralépipédique, mais peut également avoir toute autre forme. Les éléments thermoélectriques 7 sont configurés pour créer un courant 15 électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre leurs deux faces 7a, 7b. En particulier, les éléments thermoélectriques 7 génèrent un courant électrique selon l'effet Seebeck. De façon connue de l'homme du métier, les éléments thermoélectriques 7 peuvent être constitués en un matériau semi-conducteur, par exemple en Tellure de Bismuth (Bi2Te3), en 20 silicium (MnSi, Mg2Si), ou en skuttérudites. Selon une réalisation illustrée sur la figure 2, une première partie des éléments thermoélectriques 7 sont des éléments d'un premier type P permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens positif lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température. Une seconde 25 partie des éléments thermoélectriques 7 sont des éléments d'un second type N permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens opposé négatif lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température. Les éléments thermoélectriques 7 sont répartis en deux couches C1, C2. 3056715 8 Une première couche Cl d'éléments thermoélectriques 7 est agencée entre les premiers tubes 2 et l'un des rangs R1 de seconds tubes 6. Une seconde couche C2 d'éléments thermoélectriques 7 est agencée entre les premiers tubes 2 et l'autre des rangs R2 de seconds tubes 6. 5 Une face 7b d'un élément thermoélectrique 7 est en contact avec un premier tube 2 et une autre face 7a de l'élément thermoélectrique 7 est en contact avec un second tube 6. Selon une réalisation, les premiers tubes 2 et les seconds tubes 7 sont munies de pistes (non illustrées) pour la conduction du courant électrique 10 généré par les éléments thermoélectriques 7. Les pistes relient en série et/ou en parallèle les éléments thermoélectriques 7 agencés entre les premiers et seconds tubes 2, 6. Selon une réalisation, les éléments thermoélectriques 7 sont assemblés par brasage sur les premiers tubes 2. 15 Comme illustré sur la figure 1, les éléments thermoélectriques 7 d'une couche C1, C2 sont agencés en une pluralité de rangées Bl, B2, B3. Chaque rangée Bl, B2, B3 s'étend selon la direction de circulation C. Les éléments thermoélectriques 7 de chaque rangée B1, B2, B3 sont agencés entre un premier tube 2 et un second tube 6. Les éléments 20 thermoélectriques 7 d'une rangée B1, B2, B3 sont de préférence espacés les uns des autres de façon constante selon la direction de circulation C. Les premiers et seconds tubes 2, 6 sont avantageusement parallèles entre eux selon la direction d'empilement E. Un tel agencement parallèle des tubes 2, 6 permet d'adapter 25 l'espacement entre les éléments thermoélectriques 7 au sein d'une rangée B1, B2, B3. Il est notamment possible de faire varier l'espacement entre les éléments thermoélectriques 7 selon la direction de circulation C. Ceci permet par exemple d'augmenter ou de diminuer le nombre d'éléments 3056715 9 thermoélectriques 7 d'une rangée B1, B2, B3 sans pour autant modifier l'agencement des autres composants du module thermoélectrique 1. Afin de faire circuler le second fluide dans les seconds tubes 6, le module thermoélectrique 1 comprend au moins un collecteur. Comme représenté 5 sur les figures 1 et 2, le module thermoélectrique 1 comprend un collecteur d'entrée 8 et un collecteur de sortie 9. Le collecteur d'entrée 8 et le collecteur de sortie 9 permettent de faire circuler le second fluide dans les seconds tubes 6. Le collecteur d'entrée 8 est relié fluidiquement à chacune des premières 10 extrémités 5a des seconds tubes 6. Le collecteur de sortie 9 est de la même façon relié fluidiquement à chacune des secondes extrémités 5b des seconds tubes 6. Les collecteurs d'entrée 8 et de sortie 9 s'étendent respectivement de façon rectiligne selon une direction d'allongement A perpendiculaire à la 15 direction de circulation C. Les collecteurs d'entrée 8 et de sortie 9 ont par exemple une section de forme de section circulaire ou rectangulaire. En particulier, les collecteurs 8, 9 peuvent avoir une section circulaire de diamètre compris entre 5 et 20 millimètres. Toutefois d'autres formes de collecteurs peuvent être 20 envisagées selon l'invention. Les collecteurs d'entrée 8 et de sortie 9 sont agencés respectivement entre une extrémité 4a, 4b des premiers tubes 2 et les éléments thermoélectriques 7. Plus précisément, selon la réalisation illustrée sur les figures 1 et 2 dans 25 laquelle les premiers tubes 6 consistent en un tube unique 3 comprenant une bride 3a, 3b à chacune de ses extrémités 4a, 4b, les collecteurs d'entrée 8 et de sortie 9 sont agencés respectivement entre une bride 3a, 3b et les éléments thermoélectriques 7. 3056715 10 Ainsi, il est possible d'obtenir un module thermoélectrique 1 qui est davantage compact puisque les collecteurs d'entrée et de sortie 8, 9 sont agencés dans un espace autrement inoccupé du module thermoélectrique 5 Par ailleurs, les collecteurs d'entrée et de sortie 8, 9 restent confinés dans l'espace du module thermoélectrique 1 délimité par les premiers tubes 2, de sorte que la taille totale du module thermoélectrique 1 n'est pas impactée par l'ajout des collecteurs 8, 9. Selon une réalisation, la circulation du second fluide s'effectue en 10 parallèle dans l'ensemble des seconds tubes 6 du module thermoélectrique 1. Par circulation en parallèle, on comprend que le second fluide circule de façon identique dans chacun des seconds tubes 6 entre le collecteur d'entrée 8 et le collecteur de sortie 9. Selon cette réalisation, la circulation du second fluide dans l'ensemble 15 des seconds tubes 6 s'effectue avantageusement dans un sens opposé C2 au sens Cl de la circulation du premier fluide. Une telle circulation dans des sens opposés permet d'améliorer l'homogénéité de la génération d'électricité par les éléments thermoélectriques 7. En particulier, il est possible d'obtenir un gradient de température entre les premier et second 20 fluides davantage uniforme dans l'ensemble du module thermoélectrique 1. Selon une autre réalisation, la circulation du second fluide s'effectue en série dans les seconds tubes 6. Par circulation en série, on comprend que le second fluide circule successivement dans au moins deux seconds tubes 6. 25 Comme illustré sur la figure 3, la circulation du second fluide dans le module thermoélectrique 1 s'effectue suivant au moins une première partie 10 de seconds tubes 6 puis au moins une seconde partie 11 de seconds tubes 6. 3056 715 11 La première partie 10 et la seconde partie 11 de seconds tubes 6 comprennent chacun un ou plusieurs seconds tubes 6. La première partie 10 et la seconde partie 11 de seconds tubes 6 peuvent en particulier comprendre chacune un même nombre de seconds tubes 6, par exemple 5 deux seconds tubes 6 ou plus de deux seconds tubes. Selon la réalisation illustrée sur la figure 3, la première partie 10 et la seconde partie 11 comprennent chacune plus particulièrement trois seconds tubes 6. Selon la réalisation illustrée sur la figure 3, le collecteur d'entrée 8 comprend une cloison 12 située entre une première partie 8a et une 10 seconde partie 8b du collecteur d'entrée 8. La cloison 12 est configurée pour permettre la circulation de la totalité du fluide dans la première partie 10 de seconds tubes 6 puis dans la seconde partie 11 de seconds tubes 6. A cet effet, la cloison 12 sépare fluidiquement la première partie 8a de la deuxième partie 8b du collecteur d'entrée 8. 15 Alternativement, le premier collecteur 8 peut ne pas comprendre de cloison mais être constitué d'une première partie 8a et d'une seconde partie 8b séparées ou distinctes l'une de l'autre. Selon la réalisation de la figure 3, le module thermoélectrique 1 est configuré pour établir une circulation en série du second fluide en passant 20 tout d'abord dans la première partie 8a du collecteur d'entrée 8, dans la première partie 10 de seconds tubes 6 (dans un sens représenté par la flèche 13), puis dans le collecteur de sortie 9 (dans un sens représenté par la flèche 14), dans la seconde partie 11 de seconds tubes 6 (dans un sens représenté par la flèche 15) et enfin dans la seconde partie 8b du collecteur 25 d'entrée 8. La totalité du second fluide passant par la première partie 10 de seconds tubes 6 circule ainsi dans la seconde partie 11 de seconds tubes 6. Comme représentés sur les figures, les sens de circulation C1, C2 3056715 12 respectivement dans la première partie et la seconde partie 10, 11 de seconds tubes 6 sont opposés l'un de l'autre. Une telle circulation du second fluide en « U » dans le module thermoélectrique 1 permet de limiter le diamètre des collecteurs d'entrée 8 5 et de sortie 9 par rapport à une configuration dans laquelle le second fluide circule en parallèle dans le même sens dans l'ensemble des seconds tubes 6. En effet, une circulation en parallèle dans l'ensemble des tubes 6 nécessite un réservoir de second fluide en amont du module thermoélectrique 1 de taille plus importante, et donc plus encombrant. 10 Comme illustré sur la figure 4, l'invention concerne également un dispositif thermoélectrique 16 comprenant une pluralité de modules 1 tels que décrit précédemment. Les modules 1 sont superposés les uns sur les autres selon la direction d'empilement E. En particulier, un rang de seconds tubes 6 d'un module 15 thermoélectrique la correspond à un rang d'un autre module 1 b. Des connecteurs électriques (non illustrés) permettent de relier électriquement chacun des modules 1 a, 1 b afin de fournir un courant électrique au véhicule automobile. Comme illustré, les collecteurs d'entrée 8 de chaque module 1 a, lb sont 20 agencés d'un même côté du dispositif 16. Les collecteurs d'entrée 8 sont connectés en parallèle à une entrée de second fluide (non illustrée). De façon similaire, les collecteurs de sortie 9 de chaque module 1 a, 1 b sont agencés d'un même côté du dispositif 16. Les collecteurs de sortie 9 sont connectés en parallèle à une sortie de second fluide (non illustrée). Le 25 second fluide peut ainsi circuler en parallèle dans les modules thermoélectriques 1 a, lb du dispositif 16. Dans un tel dispositif selon l'invention, l'agencement des collecteurs d'entrée et/ou de sortie 8, 9 entre l'extrémité des premiers tubes 4a, 4b et 3056715 13 les éléments thermoélectriques 7 permet également de diminuer la distance entre deux modules 1 a, lb superposés l'un sur l'autre. En particulier, afin de loger les collecteurs d'entrée et de sortie 8, 9 entre les premiers tubes 2 des modules 1 a, lb successifs du dispositif 16, la taille 5 des collecteurs 8, 9 selon la direction d'empilement E est avantageusement inférieure à deux fois la hauteur H d'un élément thermoélectrique 7. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra 1 o envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association. REVENDICATIONS1. Module thermoélectrique (1) comprenant : - une pluralité de premiers tubes (2) configurés pour permettre la circulation d'un premier fluide, - une pluralité de seconds tubes (6) configurés pour permettre la circulation d'un second fluide, - une pluralité d'éléments thermoélectriques (7) comprenant chacun au moins deux faces (7a, 7b), les éléments thermoélectriques (7) étant configurés pour créer un courant électrique à partir d'un gradient de température appliqué entre leurs faces (7a, 7b), caractérisé en ce que les premiers tubes (2) et les seconds tubes (6) sont parallèles entre eux, de sorte que le premier fluide et le second fluide circulent dans le module thermoélectrique (1) selon une même direction de circulation (C). 2. Module (1) selon la revendication précédente, dans lequel les premiers tubes (2) sont configurés pour la circulation d'un fluide chaud et les seconds tubes (6) sont configurés pour la circulation d'un fluide froid, le fluide froid présentant une température inférieure à la température du fluide chaud. 3. Module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un collecteur (8, 9) configuré pour permettre une circulation du second fluide dans au moins une partie (10, 11) des seconds tubes (6), le collecteur (8, 9) étant agencé entre une extrémité (4a, 4b) des premiers tubes (2) et une extrémité (5a, 5b) des seconds tubes (6). 4. Module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un collecteur d'entrée (8) et un collecteur de sortie (9), 3056715 15 les collecteurs d'entrée et de sortie (8, 9) étant respectivement agencés entre une extrémité (4a, 4b) des premiers tubes (2) et une extrémité (5a, 5b) des seconds tubes (6). 5 5. Module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pluralité de premiers tubes (2) consiste en un tube unique (3). 6. Module (1) selon la revendication précédente, dans lequel le tube 10 unique (3) comprend au moins une bride (3a, 3b) à une extrémité (4a, 4b) des premiers tubes (2), la bride (3a, 3b) formant un rebord s'étendant dans une direction d'empilement (E) perpendiculaire à la direction de circulation (C). 15 7. Module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la circulation du second fluide s'effectue au moins partiellement dans un sens (C2) opposé au sens (C1) de circulation du premier fluide. 20 8. Module (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second fluide circule dans une première partie (10) de seconds tubes (6) dans le même sens que le sens (C1) de circulation du premier fluide, et le second fluide circule dans une seconde partie (11) de seconds tubes (6) dans un sens (C2) opposé au sens (C1) 25 de circulation du premier fluide. 9. Module (1) selon la revendication précédente, comprenant un collecteur (8), le collecteur (8) comprenant une cloison (12) entre une première partie (8a) et une seconde partie (8b) du collecteur (8), la 30 cloison (12) étant configurée pour permettre la circulation de la 3056715 16 totalité du second fluide par la première partie (10) de seconds tubes (6) puis par la seconde partie (11) de seconds tubes (6). 10. Dispositif thermoélectrique (16) comprenant une pluralité de modules thermoélectriques (1a, 1 b) selon l'une quelconque des revendications précédentes, les modules (1a, 1 b) étant superposés les uns sur les autres selon une direction d'empilement (E).