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FR3023415A1 - THERMOELECTRIC GENERATOR WITH REDUCED LOSSES - Google Patents

THERMOELECTRIC GENERATOR WITH REDUCED LOSSES Download PDF

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FR3023415A1
FR3023415A1 FR1456315A FR1456315A FR3023415A1 FR 3023415 A1 FR3023415 A1 FR 3023415A1 FR 1456315 A FR1456315 A FR 1456315A FR 1456315 A FR1456315 A FR 1456315A FR 3023415 A1 FR3023415 A1 FR 3023415A1
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FR
France
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thermoelectric generator
thermocouples
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zone
cold
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FR1456315A
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Teulet Patrick
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

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Abstract

L'invention concerne un générateur thermoélectrique (GT) pour l'alimentation d'un dispositif électrique ou électronique, comprenant une pluralité de thermocouples (TC) disposés entre une zone chaude (ZC) et une zone froide (ZF) du générateur thermoélectrique (GT) et configurés en M unités électriquement reliées en parallèle, chaque unité étant formée de N thermocouples reliés en série avec N/M <0,1, le générateur fournissant une tension de sortie (v) et les unités fournissant une tension d'unité (vu) lorsque la pluralité de thermocouples (TC) est soumis à un gradient de température appliqué entre la zone chaude (ZC) et la zone froide (ZF).The invention relates to a thermoelectric generator (GT) for supplying an electrical or electronic device, comprising a plurality of thermocouples (TC) arranged between a hot zone (ZC) and a cold zone (ZF) of the thermoelectric generator (GT ) and configured in M units electrically connected in parallel, each unit being formed of N thermocouples connected in series with N / M <0.1, the generator supplying an output voltage (v) and units providing a unit voltage ( when the plurality of thermocouples (TC) is subjected to a temperature gradient applied between the hot zone (ZC) and the cold zone (ZF).

Description

GENERATEUR THERMOELECTRIQUE A PERTES REDUITES DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un générateur thermoélectrique présentant des pertes réduites pour l'alimentation de dispositifs électriques ou électroniques. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît de l'état de la technique des générateurs thermoélectriques comprenant un ensemble de thermocouples, 15 chaque thermocouple étant formé de deux fils électriquement conducteurs de natures différentes et reliés à une de leurs extrémités pour former une jonction appelée « jonction chaude » du thermocouple. Les autres extrémités des deux fils de chaque thermocouple, laissées libres, sont appelées 20 « extrémité froide ». Comme cela est bien connu, l'application d'un gradient de température sur le thermocouple par application d'une température plus élevée au niveau de la jonction chaude qu'au niveau de l'extrémité froide, fait naitre une différence de potentiel entre les extrémités libres 25 des deux fils formant le thermocouple (effet Seebeck). Ces générateurs thermoélectriques sont généralement adaptés pour alimenter des dispositifs électriques ou électroniques, généralement dénommés « charge », qui 30 présentent une résistance de charge en entrée, notée Rc, comprise entre quelques dixièmes d'ohm à quelques dizaines d'ohm. La différence de potentiel e générée par effet Seebeck par 35 un unique thermocouple est relativement faible (de l'ordre du millivolt), et il est donc d'usage, dans un générateur thermoélectrique, d'assembler électriquement en série un grand nombre de thermocouples (plusieurs centaines au moins). Cette 10 configuration est représentée en figure la. Une telle configuration où K thermocouples sont assemblés en série est représenté par un générateur équivalent de force électromotrice K*e (où e représente la force électromotrice de chacun des thermocouples) et de résistance interne K*r (où r représente la résistance de chacun des thermocouples). Le schéma équivalent est représenté en figure lb. Le rendement de ce type de générateur thermoélectrique est typiquement de l'ordre de 5%. Du fait de la résistance élevée des K thermocouples électriquement assemblés en série, les pertes par effet Joules sont importantes. Pour mémoire, ces pertes correspondent au produit de la résistance interne du générateur équivalent par le carré du courant circulant dans cette résistance. A partir du schéma équivalent de la figure lb, est en formant l'hypothèse que la résistance K*r des thermocouples est bien supérieure à la résistance Rc de la charge associé au circuit, le courant Is circulant dans le circuit peut être bien approximé par la valeur e/r et les pertes par effet Joule Ps de l'ensemble des thermocouples sont évaluées à : Ps = K*r*Is^2 = (K/r)*e^2 Où l'on remarque que ces pertes sont proportionnelles au nombre K de thermocouples. De plus, les dispositifs thermoélectriques sont également affectés par des pertes par conduction thermique, correspondant au transfert de chaleur de la zone chaude vers la zone froide, notamment à travers les fils constitutifs des thermocouples. OBJET DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but de fournir une solution simple à ces problèmes de pertes.FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a thermoelectric generator having reduced losses for the supply of electrical or electronic devices. BACKGROUND OF THE INVENTION Thermoelectric generators comprising a set of thermocouples are known from the state of the art, each thermocouple being formed of two electrically conducting wires of different natures and connected at one of their ends to form a junction called "Hot junction" of the thermocouple. The other ends of the two wires of each thermocouple, left free, are called the "cold end". As is well known, the application of a temperature gradient on the thermocouple by applying a higher temperature at the hot junction than at the cold end, gives rise to a potential difference between them. free ends 25 of the two son forming the thermocouple (Seebeck effect). These thermoelectric generators are generally adapted to supply electrical or electronic devices, generally referred to as "charge" devices, which have an input load resistance, denoted Rc, of between a few tenths of ohm and a few tens of ohm. The difference in potential e generated by the Seebeck effect by a single thermocouple is relatively low (of the order of one millivolt), and it is therefore customary in a thermoelectric generator to electrically assemble a large number of thermocouples in series. (several hundred at least). This configuration is shown in FIG. Such a configuration where K thermocouples are assembled in series is represented by an equivalent electromotive force generator K * e (where e represents the electromotive force of each of the thermocouples) and internal resistance K * r (where r represents the resistance of each of the thermocouples). thermocouples). The equivalent diagram is shown in FIG. The efficiency of this type of thermoelectric generator is typically of the order of 5%. Due to the high resistance of K thermocouples electrically assembled in series, Joule losses are important. For the record, these losses correspond to the product of the internal resistance of the equivalent generator by the square of the current flowing in this resistor. From the equivalent diagram of FIG. 1b, it is hypothesized that the resistance K * r of the thermocouples is much greater than the resistor Rc of the load associated with the circuit, the current Is flowing in the circuit can be well approximated by the value e / r and the losses by Joule effect Ps of the set of thermocouples are evaluated at: Ps = K * r * Is ^ 2 = (K / r) * e ^ 2 Where we notice that these losses are proportional to the number K of thermocouples. In addition, the thermoelectric devices are also affected by losses by thermal conduction, corresponding to the heat transfer from the hot zone to the cold zone, in particular through the constituent wires of the thermocouples. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is in particular to provide a simple solution to these loss problems.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention propose un générateur thermoélectrique pour l'alimentation 5 d'un dispositif électrique ou électronique, comprenant une pluralité de thermocouples disposés entre une zone chaude et une zone froide du générateur thermoélectrique et configurés en M unités électriquement reliées en parallèle, chaque unité étant formée de N thermocouples reliés en série, le générateur 10 fournissant une tension de sortie et les unités fournissant une tension d'unité lorsque la pluralité de thermocouples est soumis à un gradient de température appliqué entre la zone chaude et la zone froide, le générateur thermoélectrique étant remarquable en ce que N/M < 0,1 15 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : - le générateur thermoélectrique comprend un circuit 20 sommateur de tensions d'unité pour établir la tension de sortie. - le circuit sommateur (S) des tensions d'unité (vu) comprend au moins un amplificateur opérationnel. 25 - N et M sont choisi de sorte que N/M < 10^-2. - le générateur thermoélectrique est muni de moyens de chauffage au niveau de la zone chaude et/ou de moyens de 30 refroidissement au niveau de la zone froide, pour appliquer le gradient de température. - les moyens de chauffage et/ou de refroidissement sont adaptés pour maintenir le gradient de température entre 35 30°C et 100°C. - le générateur thermoélectrique (GT) est muni de moyens de chauffage et de moyens de refroidissement ; les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprenant respectivement la circulation d'un fluide chauffé au niveau de la zone chaude et d'un fluide refroidi au niveau de la zone froide. une première extrémité des thermocouples est directement en contact avec le fluide chauffé, et la seconde extrémité des thermocouples est directement en contact avec le liquide refroidi. les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprennent un système de pompe à chaleur (PC) pour chauffer le fluide chauffé et respectivement refroidir le fluide refroidi. le générateur thermoélectrique comprend un matériau thermiquement isolant entre la zone chaude et la zone froide, et enserrant la pluralité de thermocouples. 20 - Le matériau thermiquement isolant est une mousse de polyuréthanne ou une résine époxy. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit du mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles : 30 - les figures la et lb représentent la configuration électrique et le schéma équivalent d'un générateur thermoélectrique selon l'état de la technique; - les figures 2a et 2b représentent la configuration électrique et le schéma équivalent d'un générateur 35 thermoélectrique selon l'invention ; - la figure 3 représente un mode de mise en oeuvre particulier du générateur thermoélectrique selon l'invention ; 10 15 - La figure 4 représente un exemple particulier de mise en oeuvre l'invention ; - La figure 5 représente un exemple particulier de réalisation d'un générateur thermoélectrique muni d'un système 5 de pompe à chaleur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 2a représente une configuration électrique des 10 thermocouples d'un générateur thermoélectrique GT selon l'invention. Entre les bornes 1, 2 du générateur, M unités sont électriquement connectées en parallèle. Chacune de ces unités est constituée de N thermocouples électriquement connectés en série. 15 Afin de montrer le bénéfice sur les pertes par effet Joule d'une telle configuration, on forme l'hypothèse raisonnable que les thermocouples sont tous caractérisés par une force électromotrice e et une résistance interne r. Le schéma 20 équivalent, représenté à la figure 2b, correspond donc à un générateur de force électromotrice N*e et une résistance interne N*r/M. Pour un thermocouple standard, par exemple un thermocouple 25 de classe E, auquel on applique un gradient de température de 60°C, e est typiquement de l'ordre du millivolt, et r de l'ordre du dixième d'ohm. En fonctionnement, le générateur thermoélectrique est 30 associé à une charge de résistance Rc, comme cela est représenté sur la figure 2b. La charge peut être un dispositif électrique, ou électronique, comme un chargeur de batterie, dont la résistance d'entrée est typiquement comprise entre 1 dixième d'ohm à quelques dizaines d'ohms, comme 20 ohms, ou 50 35 ohms. Selon l'invention, N et M sont choisis de telle sorte que le rapport N/M soit inférieur à 0,1. En d'autres termes, le nombre d'unités électriquement en parallèle est plus de 10 fois supérieur au nombre de thermocouples monté électriquement en série dans chaque unité.BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION With a view to achieving this object, the subject of the invention proposes a thermoelectric generator for supplying an electric or electronic device, comprising a plurality of thermocouples arranged between a hot zone and a cold zone of the thermoelectric generator and configured in M units electrically connected in parallel, each unit being formed of N thermocouples connected in series, the generator 10 providing an output voltage and the units providing a unit voltage when the plurality of thermocouples is subjected to a temperature gradient applied between the hot zone and the cold zone, the thermoelectric generator being remarkable in that N / M <0.1 According to other advantageous and nonlimiting features of the invention, taken alone or in combination: the thermoelectric generator comprises a unit voltage summing circuit 20 for establishing the voltage output ion. the summing circuit (S) of the unit voltages (seen) comprises at least one operational amplifier. N and M are chosen so that N / M <10 ^ -2. the thermoelectric generator is provided with heating means at the hot zone and / or cooling means at the cold zone, to apply the temperature gradient. the heating and / or cooling means are adapted to maintain the temperature gradient between 30 ° C. and 100 ° C. the thermoelectric generator (GT) is provided with heating means and cooling means; the heating means and the cooling means respectively comprising the circulation of a heated fluid at the hot zone and a cooled fluid at the cold zone. a first end of the thermocouples is directly in contact with the heated fluid, and the second end of the thermocouples is directly in contact with the cooled liquid. the heating means and the cooling means comprise a heat pump system (PC) for heating the heated fluid and respectively cooling the cooled fluid. the thermoelectric generator comprises a thermally insulating material between the hot zone and the cold zone, and enclosing the plurality of thermocouples. The thermally insulating material is a polyurethane foam or an epoxy resin. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood in the light of the following description of the particular non-limiting embodiment of the invention with reference to the accompanying figures in which: FIGS. 1a and 1b show the configuration electric and the equivalent diagram of a thermoelectric generator according to the state of the art; FIGS. 2a and 2b show the electrical configuration and the equivalent diagram of a thermoelectric generator according to the invention; FIG. 3 represents a particular mode of implementation of the thermoelectric generator according to the invention; FIG. 4 represents a particular example of implementation of the invention; - Figure 5 shows a particular embodiment of a thermoelectric generator provided with a heat pump system 5. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 2a shows an electrical configuration of the thermocouples of a GT thermoelectric generator according to the invention. Between terminals 1, 2 of the generator, M units are electrically connected in parallel. Each of these units consists of N thermocouples electrically connected in series. In order to show the benefit on Joule losses of such a configuration, it is reasonable to assume that the thermocouples are all characterized by an electromotive force e and an internal resistance r. The equivalent diagram, shown in FIG. 2b, therefore corresponds to an electromotive force generator N * e and an internal resistance N * r / M. For a standard thermocouple, for example a class E thermocouple, to which a temperature gradient of 60 ° C. is applied, e is typically of the order of one millivolt, and r of the order of one tenth of an ohm. In operation, the thermoelectric generator is associated with a resistor load Rc, as shown in FIG. 2b. The load may be an electrical device, or electronic, such as a battery charger, whose input resistance is typically between 1 tenth of ohm to a few tens of ohms, such as 20 ohms, or 50 35 ohms. According to the invention, N and M are chosen such that the N / M ratio is less than 0.1. In other words, the number of units electrically in parallel is more than 10 times greater than the number of thermocouples electrically connected in series in each unit.

Les valeurs de r et Rc étant tout au plus du même ordre, la résistance interne du circuit équivalent de valeur N*r/M est donc au moins d'un ordre de grandeur inférieure à la résistance Rc de la charge.Since the values of r and Rc are at most of the same order, the internal resistance of the equivalent circuit of value N * r / M is therefore at least an order of magnitude less than the resistance Rc of the load.

Le courant Ip circulant dans le circuit équivalent de la figure 2b est en conséquence bien approximé par la valeur N*e/Rc ; et les pertes par effet Joule Pp dans l'ensemble des thermocouples formant le générateur thermoélectrique de l'invention sont données par l'expression : Pp = (N*r/M)*Ip^2 = (N*r/M) * (N*e/Rc)^2 On propose de comparer les pertes par effets Joules des thermocouples du générateur thermoélectrique GT selon l'invention aux pertes par effet Joules des thermocouples du générateur thermoélectrique de l'état de la technique. En posant K = N*M afin de prendre un nombre équivalent de thermocouples dans chacun des deux générateurs, on note que : Pp = (N^3*r*e^2)/(M*Rc^2) = (N*r/M)^2*(1/Rc)^2 * Ps N*r/M étant comme on l'a vu bien inférieur à Rc, le facteur (N*r/M)^2*(1/Rc)^2 est donc bien inférieur à 1, et au final, Pp « Ps. On note également que l'amélioration relative des pertes par effet Joule est proportionnelle au coefficient (N/M)^2. Ainsi, dans l'ensemble des thermocouples électriquement configurés selon l'invention, les pertes par effet Joule sont de plusieurs ordres de grandeur inférieurs aux pertes par effets Joules des thermocouples configurés selon l'état de la technique.The current Ip flowing in the equivalent circuit of FIG. 2b is consequently well approximated by the value N * e / Rc; and the losses by Joule effect Pp in the set of thermocouples forming the thermoelectric generator of the invention are given by the expression: Pp = (N * r / M) * Ip ^ 2 = (N * r / M) * (N * e / Rc) ^ 2 It is proposed to compare the Joule effect losses of thermocouples of the thermoelectric generator GT according to the invention to the Joule losses of the thermocouples of the thermoelectric generator of the state of the art. Putting K = N * M in order to take an equivalent number of thermocouples in each of the two generators, we note that: Pp = (N ^ 3 * r * e ^ 2) / (M * Rc ^ 2) = (N * r / M) ^ 2 * (1 / Rc) ^ 2 * Ps N * r / M being as we have seen much lower than Rc, the factor (N * r / M) ^ 2 * (1 / Rc) ^ 2 is therefore well below 1, and finally, Pp "Ps. It is also noted that the relative improvement of losses by Joule effect is proportional to the coefficient (N / M) ^ 2. Thus, in the set of thermocouples electrically configured according to the invention, the Joule effect losses are several orders of magnitude lower than the Joule effect losses of the thermocouples configured according to the state of the art.

De manière préférée, on choisira le rapport N/M inférieur à 10^-2. Dans cette configuration électrique massivement parallèle, les pertes par effet Joule Pp sont grandement réduites par rapport à aux pertes par effet Joule Ps d'une configuration en série. Dans une configuration particulièrement avantageuse de l'invention, on choisi N = 1. En d'autres termes, les thermocouples formant le générateur thermoélectrique TG sont tous électriquement connectés en parallèle. On remarque de l'équation précédente de Pp que dans ce cas les pertes par effet Joules sont particulièrement réduites.Preferably, the ratio N / M less than 10 ^ -2 will be chosen. In this massively parallel electrical configuration, the Joule effect losses Pp are greatly reduced compared to Joule losses Ps of a series configuration. In a particularly advantageous configuration of the invention, N = 1 is chosen. In other words, the thermocouples forming the thermoelectric generator TG are all electrically connected in parallel. We note from the previous equation of Pp that in this case the losses by Joule effect are particularly reduced.

Dans une autre configuration particulièrement avantageuse de l'invention, on choisit M > 100. Similairement au cas précédent, dans cette configuration également, les pertes par effet Joules Pp sont grandement réduites.In another particularly advantageous configuration of the invention, M> 100 is chosen. Similarly to the previous case, in this configuration also, the Joule Pp losses are greatly reduced.

La réduction des pertes par effets Joule dans les thermocouples constituant le générateur thermoélectrique GT améliore notablement son rendement. Bien entendu, les deux configurations avantageuses 25 précédentes peuvent être combinées entre elles (N = 1 et M >100), réduisant d'autant plus les pertes par effets Joule dans les thermocouples du générateur thermoélectrique TG. Dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les 30 fils formant les thermocouples sont dimensionnés pour limiter les pertes par conduction thermique. Par exemple, il peut s'agir de fils d'environ 30mm de longueur à 1 mm de longueur et de 0,5mm de diamètre à 0,05mm de diamètre. Pour réduire la conduction thermique sans détériorer la résistance électrique 35 des thermocouples il est préférable de réduire à la fois le diamètre et la longueur des thermocouples.The reduction of Joule effect losses in the thermocouples constituting the thermoelectric generator GT significantly improves its efficiency. Of course, the two preceding advantageous configurations can be combined with one another (N = 1 and M> 100), thereby reducing the Joule effect losses in the thermocouples of the thermoelectric generator TG. In a preferred embodiment of the invention, the son forming the thermocouples are sized to limit losses by thermal conduction. For example, it may be son of about 30mm in length to 1mm in length and 0.5mm in diameter to 0.05mm in diameter. To reduce thermal conduction without damaging the electrical resistance of the thermocouples it is preferable to reduce both the diameter and the length of the thermocouples.

En référence à la figure 3, on décrit maintenant les autres éléments complétant avantageusement le générateur thermoélectrique TG de l'invention.With reference to FIG. 3, the other elements that advantageously complement the thermoelectric generator TG of the invention are now described.

Le générateur thermoélectrique présente une zone chaude ZC et une zone froide ZF. Les thermocouples sont positionnés dans le générateur thermoélectrique GT de sorte que leurs jonctions chaudes soient placées au niveau de la zone chaude, et leurs extrémités froides au niveau de la zone froide ZF.The thermoelectric generator has a hot zone ZC and a cold zone ZF. The thermocouples are positioned in the thermoelectric generator GT so that their hot junctions are placed at the hot zone, and their cold ends at the cold zone ZF.

Ces extrémités froides sont connectées entre elles pour former M unités électriquement connectées en parallèle, comprenant chacune N thermocouples électriquement connectés en série. Cela peut être réalisé en munissant une plaque support formé d'un matériau électriquement isolant, de pistes conductrices sur lesquels sont fixées, par exemple par soudure, les extrémités froides des thermocouples. La configuration des pistes conductrices assure la mise en connexion électrique parallèle et série des thermocouples, et permet d'extraire en ses bornes 1, 2 la tension Vu de l'ensemble. Afin de pouvoir appliquer un gradient de température entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF, permettant aux thermocouples de fournir chacun une tension Seebeck e, le générateur thermoélectrique GT est muni de moyens de chauffage du côté de la zone chaude ZC et/ou de moyens de refroidissement du côté de la zone froide Zf.These cold ends are connected together to form M electrically connected units in parallel, each comprising N thermocouples electrically connected in series. This can be achieved by providing a support plate formed of an electrically insulating material, conductive tracks on which are fixed, for example by welding, the cold ends of the thermocouples. The configuration of the conductive tracks ensures the parallel and series electrical connection of the thermocouples, and allows to extract at its terminals 1, 2 the voltage Vu of the assembly. In order to be able to apply a temperature gradient between the hot zone ZC and the cold zone ZF, enabling the thermocouples to each provide a Seebeck voltage e, the thermoelectric generator GT is provided with heating means on the hot zone side ZC and / or cooling means on the side of the cold zone Zf.

Que l'un et/ou l'autre de ces moyens soient prévus, ils sont adaptés pour appliquer et maintenir un gradient de température compris entre 30°C et 100°C. Dans cette gamme de température, la conductivité thermique des matériaux (usuellement des métaux) formant les thermocouples est limitée, ce qui contribue à la réduction des pertes par conduction.That one and / or the other of these means are provided, they are adapted to apply and maintain a temperature gradient of between 30 ° C and 100 ° C. In this temperature range, the thermal conductivity of the materials (usually metals) forming the thermocouples is limited, which contributes to the reduction of conduction losses.

Ces pertes par conduction sont également limitées en plaçant entre la zone chaude Zc et la zone froide Zf un matériau isolant thermique. Et de manière préférée, ce matériau est également un isolant électrique.These losses by conduction are also limited by placing between the hot zone Zc and the cold zone Zf a thermal insulating material. And preferably, this material is also an electrical insulator.

Dans un premier mode de réalisation, cet isolant est de la mousse de polyuréthane (également dénommé polyuréthane expansé) dont la conductivité thermique à l'ambiant est de l'ordre de 0,025 W.m-1.K-1. Ce matériau peut être dispensé sous forme liquide entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF pour se transformer en mousse enserrant les thermocouples. On veillera de laisser émerger de cette mousse les jonctions chaudes et les extrémités froides des thermocouples afin de préserver le contact thermique qu'elles entretiennent avec les moyens de chauffage et/ou de refroidissement. On notera également que la mousse de polyuréthane est un bon isolant électrique (>10^15 Ohms) et donc que son utilisation dans le générateur thermoélectrique GT évite la mise en contact électrique des thermocouples entre eux.In a first embodiment, this insulator is polyurethane foam (also called expanded polyurethane) whose thermal conductivity to the ambient is of the order of 0.025 W.m-1.K-1. This material can be dispensed in liquid form between the hot zone ZC and the cold zone ZF to turn into foam enclosing the thermocouples. It will be ensured that the hot junctions and the cold ends of the thermocouples emerge from this foam in order to preserve the thermal contact that they maintain with the heating and / or cooling means. Note also that the polyurethane foam is a good electrical insulator (> 10 ^ 15 Ohms) and therefore its use in the thermoelectric generator GT avoids the electrical contact of the thermocouples with each other.

Dans un second mode de réalisation de l'invention, particulièrement adapté à des dimensions réduites de thermocouples (présentant par exemple un diamètre compris entre 0,2 mm et 0,05 mm et une longueur comprise entre 4,5 mm et 0,3mm), l'isolant est choisi en résine époxy. Cette résine présente une conductivité thermique à l'ambiant de 0,2 W.m1.K-1 et est également un très bon isolant électrique. Le gradient de température établi entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF est relativement modeste (compris entre 30 et 100°C comme cela a été énoncé plus avant). Ceci présente l'avantage de pouvoir opérer le générateur thermoélectrique GT dans un environnement de relativement basse température, par exemple compris entre -20°C et 130°C. Dans cette gamme de température, on dispose de matériau thermiquement et électriquement isolant particulièrement efficace et facile à mettre en oeuvre (polyuréthane, résine époxy). Par ailleurs, dans cette gamme de température, la transmission de chaleur par rayonnement est négligeable. En conséquence, le rendement du générateur thermoélectrique GT peut être particulièrement amélioré.In a second embodiment of the invention, particularly adapted to reduced dimensions of thermocouples (having for example a diameter of between 0.2 mm and 0.05 mm and a length of between 4.5 mm and 0.3 mm) , the insulation is chosen epoxy resin. This resin has an ambient thermal conductivity of 0.2 W.m1.K-1 and is also a very good electrical insulator. The temperature gradient established between the hot zone ZC and the cold zone ZF is relatively modest (between 30 and 100 ° C. as stated above). This has the advantage of being able to operate the thermoelectric generator GT in a relatively low temperature environment, for example between -20 ° C and 130 ° C. In this temperature range, thermally and electrically insulating material is particularly effective and easy to implement (polyurethane, epoxy resin). Moreover, in this temperature range, the radiative heat transfer is negligible. As a result, the efficiency of the thermoelectric generator GT can be particularly improved.

Quel que soit le mode de réalisation choisi, le générateur thermoélectrique GT peut être muni à la fois de moyens de chauffage et de moyens de refroidissement et ces moyens comprennent respectivement la circulation d'un fluide chauffé directement en contact avec les jonctions chaudes des thermocouples, et d'un fluide refroidi directement en contact avec les extrémités froides des thermocouples. On obtient de cette manière un très bon échange thermique, favorisant l'application du gradient de température. Lorsque ce mode de réalisation est combiné à celui dans lequel on a placé un matériau isolant thermiquement entre la zone chaude ZC et la zone froide ZF, on prendra soin de choisir un matériau étanche au fluide chauffé et au fluide refroidi. C'est le cas par exemple lorsque le matériau isolant est de la mousse de polyuréthane ou de la résine époxy.Whatever the embodiment chosen, the thermoelectric generator GT may be provided with both heating means and cooling means and these means respectively comprise the circulation of a heated fluid directly in contact with the hot junctions of the thermocouples, and a cooled fluid directly in contact with the cold ends of the thermocouples. In this way, a very good heat exchange is obtained, favoring the application of the temperature gradient. When this embodiment is combined with that in which thermally insulating material has been placed between the hot zone ZC and the cold zone ZF, care will be taken to choose a material that is impervious to the heated fluid and the cooled fluid. This is the case for example when the insulating material is polyurethane foam or epoxy resin.

La figure 4 représente un exemple particulier de mise en oeuvre d'une telle configuration. Les thermocouples (TC) sont disposés au sein d'une pluralité de plaquettes E rigides, en résine époxy. Chaque plaquette peut être réalisée en coulant ou en injectant la résine époxy dans une matrice dans laquelle des thermocouples ont été préalablement disposés. La coulée ou l'injection est conduite de sorte que, après durcissement, les jonctions chaudes des thermocouples émergent ou affleurent à la surface de la plaquette; et de sorte que les jonctions froides émergent à la surface opposée de cette plaquette. Chaque plaquette peut présenter une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres, par exemple 3 millimètres.FIG. 4 represents a particular example of implementation of such a configuration. The thermocouples (TC) are arranged in a plurality of rigid plates E, epoxy resin. Each wafer may be made by casting or by injecting the epoxy resin into a matrix in which thermocouples have been previously arranged. The casting or the injection is conducted so that, after hardening, the hot junctions of the thermocouples emerge or are flush with the surface of the wafer; and so that the cold junctions emerge on the opposite surface of this wafer. Each wafer may have a thickness of the order of a few millimeters, for example 3 millimeters.

Les surfaces des plaquettes E d'où émergent les jonctions froides peuvent être munies d'un conducteur électrique C, par exemple en cuivre, sous la forme de fils ou de pistes, permettant le raccordement électrique des jonctions froides dans la configuration série/parallèle choisie. Les plaquettes E sont électriquement reliées entre elles et aux bornes 1, 2 de l'ensemble, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 3, par exemple par des fils de cuivre présentant une faible résistivité électrique. Les plaquettes E sont empilées, l'une sur l'autre, dans un boitier b étanche et isolé thermiquement de son environnement.The surfaces of the plates E from which the cold junctions emerge may be provided with an electrical conductor C, for example copper, in the form of wires or tracks, allowing the electrical connection of the cold junctions in the selected series / parallel configuration. . The wafers E are electrically connected to each other and to terminals 1, 2 of the assembly, as shown diagrammatically in FIG. 3, for example by copper wires having a low electrical resistivity. The plates E are stacked, one on the other, in a waterproof case b and thermally insulated from its environment.

L'empilement est réalisé en prenant soin de mettre en vis-à-vis des jonctions de même nature, c'est-à-dire que les jonctions chaudes d'une première plaquette de l'empilement sont mises en vis-à-vis des jonctions chaudes de la plaquette E suivante de l'empilement. Similairement, les jonctions froides d'une plaquette de l'empilement sont placées en vis-à-vis des jonctions froides de la plaquette suivante de l'empilement. On fait également en sorte de préserver un espacement, de l'ordre de grandeur de l'épaisseur d'une plaquette, entre deux plaquettes. Cela peut être réalisé, par exemple, en plaçant des cales de hauteurs déterminées entre chaque plaquette E de l'empilement.The stack is made by taking care to put vis-à-vis the junctions of the same nature, that is to say that the hot junctions of a first plate of the stack are put vis-à-vis hot junctions of the following plate E of the stack. Similarly, the cold junctions of a wafer of the stack are placed opposite the cold junctions of the next wafer of the stack. It is also necessary to maintain a spacing, the order of magnitude of the thickness of a wafer, between two wafers. This can be achieved, for example, by placing shims of determined heights between each wafer E of the stack.

Il est alors possible, comme cela est représenté sur la figure 3, de faire circuler un fluide refroidi dans les espaces dégagés A entre deux plaquettes E donnant accès aux jonctions froides des thermocouples TC et mettre en contact direct le fluide refroidi avec ces jonctions. Similairement, il est simultanément possible de faire circuler un fluide réchauffé dans les espaces dégagés B entre deux plaquettes et donnant accès aux jonctions chaudes des thermocouples TC et mettre en contact direct ce fluide réchauffé avec ces jonctions. Des conduits (non représentés sur la figure) permettent d'introduire, de faire circuler dans le boitier et d'évacuer les fluides refroidi et réchauffé.It is then possible, as shown in FIG. 3, to circulate a cooled fluid in the open spaces A between two plates E giving access to the cold junctions of the thermocouples TC and put in direct contact the cooled fluid with these junctions. Similarly, it is simultaneously possible to circulate a heated fluid in the open spaces B between two plates and giving access to the hot junctions thermocouples TC and put in direct contact with this heated fluid with these junctions. Ducts (not shown in the figure) allow to introduce, circulate in the housing and evacuate the cooled and heated fluids.

Cet arrangement est particulièrement avantageux en ce qu'il permet d'intégrer un nombre important de thermocouples TC dans un boitier compact b. Elle met en oeuvre des thermocouples TC de dimensions réduites, de l'ordre de quelques millimètres de longueur, et de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre de section. Ces dimensions contribuent à réduire la conductivité thermique des thermocouples TC, sans exagérément accroître la résistivité électrique.This arrangement is particularly advantageous in that it allows to integrate a large number of TC thermocouples in a compact case b. It uses TC thermocouples of reduced dimensions, of the order of a few millimeters in length, and of the order of a few tenths of a millimeter section. These dimensions help to reduce the thermal conductivity of the TC thermocouples, without unduly increasing the electrical resistivity.

Quel que soit le mode choisi de mise en oeuvre de l'invention, le fluide chauffé et le fluide refroidi peuvent être fournis par un système de pompe à chaleur PC. De manière bien connue en soi, ce système permet d'extraire les calories de l'environnement du générateur thermoélectrique GT et du fluide froid, pour le refroidir, et les fournir au fluide chaud, pour le réchauffer. Le système PC permet donc de récupérer la chaleur diffusant de la zone chaude ZC vers la zone froide ZF essentiellement par conduction thermique dans les thermocouples ou générée par effet Joule dans le générateur thermoélectrique, et donc de créer et de maintenir le gradient de température appliqué aux thermocouples.Whatever the chosen mode of implementation of the invention, the heated fluid and the cooled fluid can be provided by a heat pump system PC. In a manner well known per se, this system makes it possible to extract the calories from the environment of the thermoelectric generator GT and the cold fluid, to cool it, and to supply them to the hot fluid, to heat it up. The PC system therefore makes it possible to recover the heat diffusing from the hot zone ZC to the cold zone ZF essentially by thermal conduction in the thermocouples or generated by the Joule effect in the thermoelectric generator, and thus to create and maintain the temperature gradient applied to the thermocouples.

La figure 5 représente un exemple particulier de réalisation d'un générateur thermoélectrique GT muni d'un tel système de pompe à chaleur PC. Les fluides chauffé et refroidi circulent aux niveaux des zones chaudes ZC et froides ZF du générateur GT. Ils circulent également, à travers des conduits C, isolés thermiquement, vers des échangeurs thermiques ET1 et ET2 du système de pompe à chaleur PC. Le premier échangeur ET1 permet le transfert des calories présent dans le liquide refroidi (et collectées dans le générateur GT) et des calories de l'environnement ENV vers un circuit vapeur CV du système de pompe à chaleur PC. Le second échangeur thermique ET2 permet le transfert des calories du circuit vapeur CV vers le fluide réchauffé.FIG. 5 represents a particular embodiment of a thermoelectric generator GT equipped with such a heat pump system PC. The heated and cooled fluids circulate at the ZC hot and cold ZF zones of the GT generator. They also circulate, through thermally insulated ducts C, to heat exchangers ET1 and ET2 of the heat pump system PC. The first exchanger ET1 allows the transfer of calories present in the cooled liquid (and collected in the generator GT) and calories from the environment ENV to a steam circuit CV of the heat pump system PC. The second heat exchanger ET2 allows the transfer of heat from the steam circuit CV to the heated fluid.

Le circuit vapeur CV assure le transfert des calories de l'échangeur thermique ET1 vers l'échangeur thermique ET2, et comprend en succession un compresseur COMP, un condenseur COND, un évaporateur EVP et détendeur DET ainsi que cela est représenté sur la figure 5. De façon générale dans la gamme de température de gradient visé de (30°C à 100°C), en moyenne 60°C, le système de pompe à chaleur PC présente un coefficient de performance de l'ordre de 4 pour une température ambiante de l'environnement de 7°C, Ce coefficient de performance s'améliore considérablement dès lors que la température ambiante de l'environnement est plus élevée.The steam circuit CV ensures the transfer of heat from the heat exchanger ET1 to the heat exchanger ET2, and comprises in succession a compressor COMP, a condenser COND, an evaporator EVP and expander DET as shown in FIG. Generally, in the desired gradient temperature range (30 ° C to 100 ° C), on average 60 ° C, the heat pump system PC has a coefficient of performance of the order of 4 for a room temperature 7 ° C environment, This coefficient of performance improves considerably when the ambient temperature of the environment is higher.

Le système de pompe à chaleur PC contribue à améliorer la performance globale du générateur thermoélectrique GT. L'énergie générée par ce générateur GT peut être emmagasinée dans un dispositif de stockage, comme une batterie. Une partie de cette énergie peut contribuer au fonctionnement de la pompe à chaleur PC, notamment lorsque la température de l'environnement est relativement basse. En fonctionnement, c'est à dire lorsque le gradient de température est appliqué aux thermocouples, le générateur thermoélectrique GT de l'invention génère une tension Vu aux bornes 1, 2 des unités connectées électriquement en parallèle. Cette tension peut être dans certains cas insuffisante pour alimenter un circuit électrique ou électronique. La valeur de la tension Vu dépend notamment du nombre N de thermocouples connectés électriquement en série dans chaque unité, et de la valeur du gradient de température appliqué. L'invention prévoit de munir, comme représenté sur la figure 3, le générateur thermoélectrique d'un circuit S de type sommateur des tensions d'unité Vu pour élaborer la tension de sortie Vs du générateur. Un tel circuit de type sommateur peut être réalisé à l'aide d'un ou plusieurs amplificateurs opérationnels, comme cela est bien connu en soi.The PC heat pump system helps improve the overall performance of the GT thermoelectric generator. The energy generated by this generator GT can be stored in a storage device, such as a battery. Some of this energy can contribute to the operation of the PC heat pump, especially when the temperature of the environment is relatively low. In operation, that is to say when the temperature gradient is applied to the thermocouples, the thermoelectric generator GT of the invention generates a voltage Vu at the terminals 1, 2 of the units electrically connected in parallel. This voltage may be in some cases insufficient to power an electrical or electronic circuit. The value of the voltage Vu depends in particular on the number N of thermocouples electrically connected in series in each unit, and the value of the applied temperature gradient. The invention provides for providing, as shown in FIG. 3, the thermoelectric generator of a circuit S of the summing type of the unit voltages Vu in order to develop the output voltage Vs of the generator. Such summator type circuit can be achieved using one or more operational amplifiers, as is well known per se.

Ainsi dans le cas de 10000 thermocouples tous montés en parallèle (M = 10000, N = 1), on peut établir une tension de sortie Vs de l'ordre de 30V, pour un gradient de température de l'ordre de 60°C et une force électromotrice de chaque thermocouple de 3 millivolts. La résistance interne de ce générateur est préférablement faible, de l'ordre de 3*10^-5 ohm, afin de limiter les pertes par effet Joule. Toutefois l'ensemble des circuits sommateurs ont une résistance de quelques dizaines à quelques centaines d'ohms, et sont donc également soumis à des pertes par effet joules. En conséquences ces circuits sommateurs peuvent être disposés dans un ou des boitiers munis d'échangeur thermique afin que ces calories puisses directement être récupérées par le système de pompes à chaleur PC.Thus in the case of 10000 thermocouples all connected in parallel (M = 10000, N = 1), it is possible to establish an output voltage Vs of the order of 30V, for a temperature gradient of the order of 60.degree. an electromotive force of each thermocouple of 3 millivolts. The internal resistance of this generator is preferably low, of the order of 3 * 10 ^ -5 ohm, in order to limit losses by Joule effect. However all the summing circuits have a resistance of a few tens to a few hundred ohms, and are therefore also subject to losses by joules effect. Consequently, these summing circuits can be arranged in one or more boxes provided with a heat exchanger so that these calories can be directly recovered by the heat pump system PC.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.Naturally, the invention is not limited to the embodiment described and variations can be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims.

Bien que l'on ait indiqué dans la description que chaque unité comportait un nombre N identique de thermocouples connectés en série dans chaque unité, l'invention s'applique tout aussi bien dans une configuration différente. Le nombre N pourra être dans ce cas remplacé par le nombre moyen de thermocouples dans les unités. De même, l'invention n'est pas limitée à un ensemble de thermocouples présentant tous des caractéristiques identiques, 30 notamment en termes de force électromotrice et de résistance interne.Although it has been stated in the description that each unit has an identical number N of thermocouples connected in series in each unit, the invention applies equally well in a different configuration. The number N can be in this case replaced by the average number of thermocouples in the units. Likewise, the invention is not limited to a set of thermocouples all having identical characteristics, in particular in terms of electromotive force and internal resistance.

Claims (15)

REVENDICATIONS1. Générateur thermoélectrique (GT) pour l'alimentation d'un dispositif électrique ou électronique comprenant une pluralité de thermocouples (TC) disposés entre une zone chaude (ZC) et une zone froide (ZF) du générateur thermoélectrique (GT) et configurés en M unités (U) électriquement reliées en parallèle, chaque unité étant formée de N thermocouples reliés en série, le générateur fournissant une tension de sortie (v) et les unités fournissant une tension d'unité (vu) lorsque la pluralité de thermocouples (TC) est soumis à un gradient de température appliqué entre la zone chaude et la zone froide, le générateur thermoélectrique étant caractérisé en ce que N/M < 0,1.REVENDICATIONS1. Thermoelectric generator (GT) for supplying an electrical or electronic device comprising a plurality of thermocouples (TC) arranged between a hot zone (ZC) and a cold zone (ZF) of the thermoelectric generator (GT) and configured in M units (U) electrically connected in parallel, each unit being formed of N thermocouples connected in series, the generator providing an output voltage (v) and the units providing a unit voltage (seen) when the plurality of thermocouples (TC) is subjected to a temperature gradient applied between the hot zone and the cold zone, the thermoelectric generator being characterized in that N / M <0.1. 2. Générateur thermoélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit sommateur (S) de tensions d'unité (vu) pour établir la tension de sortie (v).2. thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that it comprises a summing circuit (S) of unit voltages (seen) to establish the output voltage (v). 3. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit sommateur (S) des tensions d'unité (vu) comprend au moins un amplificateur opérationnel.3. Thermoelectric generator according to the preceding claim, characterized in that the summing circuit (S) of the unit voltages (seen) comprises at least one operational amplifier. 4. Générateur thermoélectrique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que N/M < 10^-2.4. thermoelectric generator according to claim 1 or 2, characterized in that N / M <10 ^ -2. 5. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que N = 1.Thermoelectric generator according to one of the preceding claims, characterized in that N = 1. 6. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que M > 100. 35Thermoelectric generator according to one of the preceding claims, characterized in that M> 100. 35 7. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur thermoélectrique (GT) est muni de moyens de chauffage au niveau de la zone chaude et/ou de moyens de refroidissement 25au niveau de la zone froide, pour appliquer le gradient de température.7. thermoelectric generator according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric generator (GT) is provided with heating means at the hot zone and / or cooling means 25 at the cold zone, to apply the temperature gradient. 8. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et/ou de refroidissement sont adaptés pour maintenir le gradient de température entre 30°C et 100°C.8. thermoelectric generator according to the preceding claim, characterized in that the heating means and / or cooling are adapted to maintain the temperature gradient between 30 ° C and 100 ° C. 9. Générateur thermoélectrique selon les revendications 7 et 8 précédentes, caractérisé en ce que le générateur thermoélectrique (GT) est muni de moyens de chauffage et de moyens de refroidissement ; les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprenant respectivement la circulation d'un fluide chauffé au niveau de la zone chaude (ZC) et d'un fluide refroidi au niveau de la zone froide (ZF).9. Thermoelectric generator according to claims 7 and 8 above, characterized in that the thermoelectric generator (GT) is provided with heating means and cooling means; the heating means and the cooling means respectively comprising the circulation of a heated fluid at the hot zone (ZC) and a cooled fluid at the cold zone (ZF). 10. Générateur thermoélectrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que une première extrémité des thermocouples (TC) est directement en contact avec le fluide chauffé, et la seconde extrémité des thermocouples (TC) est directement en contact avec le liquide refroidi.10. thermoelectric generator according to claim 9, characterized in that a first end of the thermocouples (TC) is directly in contact with the heated fluid, and the second end of the thermocouples (TC) is directly in contact with the cooled liquid. 11. Générateur thermoélectrique selon les revendications 9 à 10, caractérisé en ce que les moyens de chauffage et les moyens de refroidissement comprennent un système de pompe à chaleur (PC) pour chauffer le fluide chauffé et respectivement refroidir le fluide refroidi.11. thermoelectric generator according to claims 9 to 10, characterized in that the heating means and the cooling means comprise a heat pump system (PC) for heating the heated fluid and respectively cool the cooled fluid. 12. Générateur thermoélectrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système de pompe à chaleur (PC) comprend un circuit vapeur (CV) qui assure le transfert des calories d'un échangeur thermique (ET1) dans lequel circule le fluide refroidi vers un échangeur thermique (ET2) dans lequel circule le fluide réchauffé.12. thermoelectric generator according to claim 11, characterized in that the heat pump system (PC) comprises a steam circuit (CV) which ensures the transfer of heat from a heat exchanger (ET1) in which circulates the cooled fluid to a heat exchanger (ET2) in which circulates the heated fluid. 13. Générateur thermoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un matériaux thermiquement isolant entre la zone chaude (ZC) et la zone froide (ZF), et enserrant la pluralité de thermocouples.13. thermoelectric generator according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a thermally insulating material between the hot zone (ZC) and the cold zone (ZF), and enclosing the plurality of thermocouples. 14. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau thermiquement isolant est une mousse de polyuréthanne.14. Thermoelectric generator according to the preceding claim, characterized in that the thermally insulating material is a polyurethane foam. 15. Générateur thermoélectrique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau thermiquement isolant est de la résine époxy.15. thermoelectric generator according to claim 13, characterized in that the thermally insulating material is epoxy resin.
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