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Title:
THERMOELECTRIC DEVICE AND THERMOELECTRIC GENERATOR COMPRISING SUCH A DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/182627
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a thermoelectric device 40 comprising: a plurality of thermoelectric modules10, each of which comprises at least one thermoelectric element 11 capable of generating an electric current under the action of a temperature gradient generated between two of its faces 12, 13, referred to as hot active face 12 and cold active face 13, when they contact a hot source and a cold source respectively; and at least one body having a plurality of recesses 21 for receiving said modules 10. The device is characterised in that it further comprises means for controlling the emission of exhaust gasses.

Inventors:
SIMONIN MICHEL (FR)
AZZOUZ KAMEL (FR)
DE VAULX CÉDRIC (FR)
Application Number:
PCT/EP2017/059515
Publication Date:
October 26, 2017
Filing Date:
April 21, 2017
Export Citation:
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Assignee:
VALEO SYSTEMES THERMIQUES (FR)
SIMONIN MICHEL (FR)
International Classes:
H01L35/30; F01N3/01; F01N5/02
Foreign References:
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
GEVERS & ORES (GROUPEMENT 92) (FR)
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Claims:
Revendications

Dispositif thermoélectrique 40 comprenant :

- une pluralité de modules 10 thermoélectriques, lesdits modules 5 10 comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique 1 1 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces 12,13, dites face active chaude 12 et face active froide 13, au contact d'une source chaude d'une part et d'une source froide d'autre part,

- au moins un corps présentant une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement.

Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication 1

caractérisé en ce qu'il comprend en outre, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.

Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de captation des particules ionisées captent les particules ionisées par effet électrostatique.

Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps se compose d'une pluralité de plaques 20 métalliques présentant chacune une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10, lesdites plaques 20 étant thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10.

5. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont mises à la masse 54 et constituent lesdits moyens de captation des particules ionisées.

6. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en au moins une électrode 53a,53b alimentée par les modules thermoélectriques 10, disposée dans le flux de circulation du premier fluide F1 en amont dudit corps et générant un champ électrique apte à ioniser les particules du premier fluide F1 .

7. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes 53a,53b reliées entre elles par un conducteur électrique de type grille ou fil unique, disposé dans le flux de circulation du premier fluide F1 et propageant le champ électrique des électrodes 53a,53b jusqu'au centre du flux de circulation du premier fluide F1 .

8. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie 51 électrique :

- alimentée par le courant électrique généré par lesdits modules 10,

- et alimentant les électrodes 53a, 53b.

9. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un premier convertisseur 50 disposé entre les modules 10 et ladite batterie 51 et assurant une tension aux bornes de batterie 51 comprise de préférence 15 entre 0 et 48V.

10. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un second convertisseur 52 disposé entre la batterie 51 et les électrodes 53a, 53b et assurant une tension élevée aux bornes des électrodes 53a, 53b comprise de préférence entre 3kV et 15kV, cette tension créant ledit champ électrique.

1 1 . Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que les plaques 20 sont planes.

12. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications 4 à 1 1 , caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 .

13. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de circulation du premier fluide F1 comporte un flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique 40, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux principal F1 p.

14. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques 20 captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.

15. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte un corps sous la forme d'une pluralité de plaques 20 présentant chacune une pluralité de logements 21 destinés à accueillir lesdits modules 10, lesdites plaques 20 ayant une fonction, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, de substrat catalytique assurant une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide F1 circulant entre les plaques 20, lesdites plaques 20 étant disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 , ledit dispositif 40 comportant en outre deux rangées R1 , R2 de modules 10 situées en vis-à-vis l'une de l'autre, chaque rangée R1 , R2 de modules 10 s'étendant dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide F1 , ledit premier fluide F1 comportant un flux principal F1 p circulant dans une partie centrale 22 des plaques 20 délimitée de part et d'autre par les deux rangées R1 ,R2 de modules.

16. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit premier fluide F1 correspond à la source chaude.

17. Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont toutes identiques.

18. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements 21 d'une plaque 20 à l'autre.

19. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont enduites d'un revêtement catalytique.

20. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de circulation du premier fluide F1 comporte le flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique 40, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux principal F1 p.

21 . Dispositif thermoélectrique 40 selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques 20 opèrent une catalyse du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.

22. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque module 10 est orienté perpendiculairement aux plaques 20 et traverse la totalité des plaques 20 en s'intégrant dans lesdits logements 21 successifs.

23. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux principal F1 p du premier fluide circule entre les deux rangées R1 , R2 de modules 10 en longeant les plaques 20.

24. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide F1 comporte un flux secondaire Fi s circulant entre les modules 10 d'une même rangée R1 , R2 en longeant les plaques 20, ledit flux secondaire Fi s étant orthogonal au flux principal F1 p.

25. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques 20 sont thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10.

26. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites plaques sont métalliques.

27. Dispositif thermoélectrique 40 selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.

28. Générateur thermoélectrique 30 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermoélectrique 40 selon l'une quelconque des revendications précédentes.

29. Générateur thermoélectrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ionisation des particules, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, consistent en deux électrodes 53a,53b disposées en vis-à-vis au niveau des parois internes d'un conduit d'entrée 34 du premier fluide F1 .

30. Générateur thermoélectrique 30 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermoélectrique 40 selon l'une quelconque des revendications 4 à 27, lequel générateur thermoélectrique 30 comprend un dispositif de contrôle de débit 32 positionné dans le sens de circulation du premier fluide F1 , en aval des plaques 20.

Description:
Dispositif thermoélectrique et générateur thermoélectrique comprenant un tel dispositif

Domaine de l'invention

Dans le domaine automobile, il a déjà été proposé des dispositifs thermoélectriques utilisant des éléments, dits thermoélectriques, 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 sont aussi appelés générateurs thermoélectriques.

Il est connu de positionner ces générateurs thermoélectriques dans une ligne d'échappement de véhicule automobile, voire dans le circuit de gaz d'échappement recirculés pour les véhicules automobiles présentant un tel circuit entre l'échappement et l'admission du moteur thermique. L'objectif est l'utilisation de la chaleur des gaz d'échappement des véhicules automobile pour générer de l'énergie électrique.

Le traitement des gaz d'échappement est ensuite nécessaire, notamment pour éviter que ne soient largués des gaz toxiques à l'air libre. Ce traitement des gaz est une fonction distincte de celle de la génération d'énergie électrique par les générateurs évoqués ci- dessus.

Etat de la technique

De manière générale, un système de filtration de particules est ajouté en amont ou en aval d'un générateur thermoélectrique de manière à contrôler l'émission des gaz d'échappement en sortie du véhicule automobile. Ces particules proviennent d'une mauvaise combustion et consistent par exemple en des particules de suie. Le système de filtration se compose généralement d'un filtre piégeant les grosses particules.

Les particules fines quant à elles ne sont généralement pas filtrées par ce type de système. Un système supplémentaire de filtration de particules fines peut être installé en aval à cet effet. Un système catalytique peut également être ajouté en amont ou en aval d'un générateur thermoélectrique, de manière à contrôler l'émission des gaz d'échappement en sortie du véhicule automobile. Ce système catalytique comporte généralement un substrat catalytique consistant en un pain extrudé en matière poreuse. Les pores sont chargés en molécules de métaux rares (par exemple Platine, Rhodium, Palladium) par une plongée dans un bain comprenant ce type de métaux rares, puis par une étape de vaporisation de l'ensemble afin que les molécules de métaux rares restent piégées dans les pores du substrat. Ces molécules serviront pour les réactions catalytiques, notamment au contact des gaz d'échappement, lesdites réactions catalytiques permettant la dépollution desdits gaz d'échappement.

Il est également connu de proposer un système de catalyse dans le générateur thermoélectrique, mais son efficacité est cependant limitée, et il induit une perte de charge non négligeable au sein du générateur.

Tous ces ensembles (générateur thermoélectrique, systèmes de filtration et système catalytique) positionnés les uns à la suite des autres sont volumineux et encombrants. Or la compacité des équipements dans le domaine automobile constitue désormais un objectif majeur. Un des buts de la présente invention consiste à proposer une solution permettant de combiner plusieurs fonctions, à savoir la fonction de générateur de courant, et/ou la fonction de filtration de particules fines, et/ou la fonction de catalyseur, au moyen d'un seul équipement compact.

Résumé de l'invention

La présente invention a pour objectif de pallier différents inconvénients énoncés ci- dessus, au moyen d'un dispositif thermoélectrique comprenant, de façon classique :

- une pluralité de modules thermoélectriques, lesdits modules comprenant chacun au moins un élément thermoélectrique susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces, dites face active chaude et face active froide, au contact d'une source chaude d'une part et d'une source froide d'autre part,

- au moins un corps présentant une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules. Ce dispositif se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, comprend des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.

Le dispositif de l'invention est un dispositif thermoélectrique qui permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le contrôle d'émission des gaz d'échappement.

Ainsi, le dispositif thermoélectrique de l'invention présente l'avantage d'améliorer les dispositifs thermoélectriques existant en proposant de combiner, au sein d'un même ensemble, deux fonctions techniques jusqu'alors distinctes.

Selon une première réalisation possible, ledit dispositif comprend en outre, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, des moyens d'ionisation des particules d'un premier fluide F1 correspondant à la source chaude et circulant dans ledit corps, ce dernier comprenant des moyens de captation des particules ionisées.

Ce premier mode de réalisation permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, la filtration de particules fines d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de capter les particules fines au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment par ionisation.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- lesdits moyens de captation des particules ionisées captent les particules ionisées par effet électrostatique.

- ledit corps se compose d'une pluralité de plaques métalliques présentant chacune une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules, lesdites plaques étant thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide F1 vers la face active chaude des éléments thermoélectriques des modules.

- lesdites plaques sont mises à la masse et constituent lesdits moyens de captation des particules ionisées.

- lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en au moins une électrode alimentée par les modules thermoélectriques, disposée dans le flux de circulation du premier fluide en amont dudit corps et générant un champ électrique apte à ioniser les particules du premier fluide. lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes reliées entre elles par un conducteur électrique de type grille ou fil unique, disposé dans le flux de circulation du premier fluide et propageant le champ électrique des électrodes jusqu'au centre du flux de circulation du premier fluide,

le dispositif thermoélectrique comporte une batterie électrique :

• alimentée par le courant électrique généré par lesdits modules,

• et alimentant les électrodes.

le dispositif thermoélectrique comporte un premier convertisseur disposé entre les modules et ladite batterie et assurant une tension aux bornes de batterie comprise de préférence entre 0 et 48V.

le dispositif thermoélectrique comporte un second convertisseur disposé entre la batterie et les électrodes et assurant une tension élevée aux bornes des électrodes comprise de préférence entre 3kV et 15kV, cette tension créant ledit champ électrique.

les plaques sont planes.

lesdites plaques sont disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide F1 .

le flux de circulation du premier fluide F1 comporte un flux principal F1 p orienté selon un axe central X du dispositif thermoélectrique, et un flux secondaire Fi s orienté perpendiculairement au flux 5 principal F1 p.

les plaques captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide F1 p et à la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s.

toutes les plaques sont identiques.

lesdites plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements d'une plaque à l'autre.

l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.

lesdites plaques sont enduites d'un revêtement catalytique de manière à assurer une conversion catalytique de composants toxiques du premier fluide F1 .

les plaques opèrent une catalyse du premier fluide dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide et à la direction du flux secondaire du premier fluide.

chaque module est orienté perpendiculairement aux plaques et traverse la totalité des plaques en s'intégrant dans lesdits logements successifs,

le dispositif comporte deux rangées de modules situées en vis-à-vis l'une de l'autre, chaque rangée de modules s'étend dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide. - le premier fluide comporte un flux principal circulant entre les deux rangées de modules en longeant les plaques.

le premier fluide comporte un flux secondaire circulant entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques, ledit flux secondaire étant orthogonal au flux principal.

- un second fluide circule au sein de chaque module, et correspond à ladite source froide, le flux de circulation du second fluide étant perpendiculaire au flux de circulation du premier fluide. Selon une deuxième réalisation possible, le dispositif thermoélectrique comporte un corps sous la forme d'une pluralité de plaques présentant chacune une pluralité de logements destinés à accueillir lesdits modules, lesdites plaques ayant une fonction, en tant que moyens de contrôle d'émission des gaz d'échappement, de substrat catalytique assurant une conversion catalytique de composants toxiques d'un premier fluide circulant entre les plaques, lesdites plaques étant disposées parallèlement au flux de circulation du premier fluide, ledit dispositif comportant en outre deux rangées de modules situées en vis-à- vis l'une de l'autre, chaque rangée de modules s'étendant dans une direction parallèle au flux de circulation du premier fluide, ledit premier fluide comportant un flux principal circulant dans une partie centrale des plaques délimitée de part et d'autre par les deux rangées de modules.

Le dispositif de l'invention est un dispositif thermoélectrique qui permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le traitement de composants toxiques d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de réaliser la conversion catalytique de ces composants toxiques au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment à l'aide dudit substrat catalytique.

Ce mode de réalisation permet, d'une part, la génération d'un courant électrique à partir d'un gradient de température et, d'autre part, le traitement de composants toxiques d'un fluide participant à cette génération de courant. En effet, il est prévu de réaliser la conversion catalytique de ces composants toxiques au sein même dudit dispositif thermoélectrique, notamment à l'aide dudit substrat catalytique. De plus, l'alignement spécifique des modules en rangées, permet de définir un espace central vide de modules au sein du générateur, et par lequel le flux principal peut circuler et donc être traité simultanément via la fonction catalyse. Cet espace central permet de minimiser les pertes de charges sur le premier fluide circulant dans le générateur. De plus, cet espace central offre une surface de plaque conséquente, et donc satisfaisante pour opérer une catalyse de façon efficace.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- ledit premier fluide correspond à la source chaude.

- toutes les plaques sont identiques.

- lesdites plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres de manière à faire correspondre les logements d'une plaque à l'autre.

- l'espace entre deux plaques adjacentes est constant dans tout le dispositif.

- lesdites plaques sont enduites d'un revêtement catalytique.

le flux de circulation du premier fluide comporte un flux principal orienté selon un axe central du dispositif thermoélectrique, et un flux secondaire orienté perpendiculairement au flux principal.

- les plaques opèrent une catalyse du premier fluide dans deux directions perpendiculaires, correspondant à la direction du flux principal du premier fluide et à la direction du flux secondaire du premier fluide.

- chaque module est orienté perpendiculairement aux plaques et traverse la totalité des plaques en s'intégrant dans lesdits logements successifs.

- le premier fluide comporte un flux principal circulant entre les deux rangées de modules en longeant les plaques.

le premier fluide comporte un flux secondaire circulant entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques, ledit flux secondaire étant orthogonal au flux principal.

- lesdites plaques sont thermiquement conductrices pour conduire la chaleur provenant du premier fluide vers la face active chaude des éléments thermoélectriques des modules.

- lesdites plaques sont métalliques.

- un second fluide circule au sein de chaque module, et correspond à ladite source froide, le flux de circulation du second fluide étant perpendiculaire au flux de circulation du premier fluide.

L'invention concerne aussi, avantageusement, un générateur thermoélectrique comprenant un dispositif thermoélectrique tel que celui décrit ci-dessus.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - lesdits moyens d'ionisation des particules consistent en deux électrodes disposées en vis-à-vis au niveau des parois internes d'un conduit d'entrée du premier fluide de circulation ;

- le générateur thermoélectrique de l'invention comprend, en outre, un dispositif de contrôle de débit,

- ledit dispositif de contrôle de débit est positionné, dans le sens de circulation du premier fluide, en aval des plaques,

- ledit dispositif de contrôle de débit comprend une vanne, ladite vanne comprenant un corps de vanne et un clapet, ledit clapet étant articulé par rapport au corps de vanne et étant apte à occuper une position ouverte et une position fermée, ladite vanne étant configurée pour être positionnée à l'intérieur dudit générateur de manière à moduler la quantité du premier fluide circulant à travers lui,

- le générateur thermoélectrique comporte un conduit central, le corps de vanne dudit dispositif de contrôle se situant à l'intérieur de ce conduit central,

- les deux rangées de modules du dispositif thermoélectrique délimitent ce conduit central,

- le premier fluide comporte un flux principal circulant dans le conduit central du générateur thermoélectrique, c'est-à-dire entre les deux rangées de modules en longeant les plaques,

- le premier fluide comporte un flux secondaire circulant hors du conduit central du générateur thermoélectrique, c'est-à-dire entre les modules d'une même rangée en longeant les plaques,

- le générateur thermoélectrique de l'invention est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet occupe la position fermée, le premier fluide circule hors du conduit central et, lorsque le clapet est en position ouverte, ledit premier fluide circule à travers le conduit central,

- le générateur thermoélectrique de l'invention est destiné à être revêtu d'une enveloppe externe protectrice, dit boîtier, de manière à être positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile de sorte que les gaz d'échappement circulant dans ladite ligne définissent ledit premier fluide et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile de sorte que lesdits gaz d'échappement recirculés circulant dans ledit circuit définissent ledit premier fluide.

Présentation des figures 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, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins :

la figure 1 illustre un module thermoélectrique utilisé dans l'invention ;

- la figure 2 montre schématiquement en perspective un exemple de réalisation d'un dispositif thermoélectrique selon l'invention ;

- la figure 3 montre en perspective et de façon schématique un module thermoélectrique tel qu'utilisé en figure 2 ;

- la figure 4 montre en vue de face une plaque telle qu'utilisée en figure 2 ;

- la figure 5 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un générateur thermoélectrique selon l'invention, en vue de coupe longitudinale ;

- la figure 6 représente un exemple de circulation des gaz d'échappement au sein du générateur selon la figure 5 ;

- la figure 7 représente un exemple de circuit électrique pour le captage de particules fines au sein du générateur selon les figures 5 et 6 ;

- la figure 8 montre le circuit les connexions électriques entre les différents composants du circuit électrique selon la figure 7.

Description détaillée

Comme illustré sur la figure 2, l'invention concerne un dispositif thermoélectrique 40 comprenant une pluralité de modules thermoélectriques 10 dans lesquels circule un fluide froid F2 et de plaques 20 autour desquelles circule un fluide chaud F1 .

La figure 1 représente l'un de ces modules 10 plus en détail. Le module 10 comprend au moins un élément thermoélectrique 1 1 susceptible de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre deux de ses faces 12, 13, au contact d'un fluide chaud F1 (c'est-à-dire d'une source chaude) d'une part, et d'un fluide froid F2 (c'est-à- dire d'une source froide) d'autre part.

Plus précisément, chaque module thermoélectrique 10 comprend une pluralité d'éléments thermoélectriques 1 1 , ici de forme annulaire, assemblés coaxialement entre eux de manière à former ce qu'on appelle couramment un crayon thermoélectrique. Lesdits éléments thermoélectriques 1 1 et, par la suite, les modules thermoélectriques 20, sont susceptibles de générer un courant électrique sous l'action d'un gradient de température exercé entre d'une part, une première face 12 définie par une surface de périphérie extérieure cylindrique, et d'autre part une deuxième face 13 définie par une surface de périphérie intérieure cylindrique.

C'est pourquoi tout autour des modules 10 circule un fluide chaud F1 qui agit comme source chaude au contact de la première face active 12 des éléments thermoélectriques 1 1 , et chaque module thermoélectrique 10 comporte en son centre un tube 14 dans lequel circule un fluide froid F2 (du type liquide de refroidissement) F2 qui agit comme source froide, ces tubes 14 se trouvant alors au contact de la deuxième face active 13 des éléments thermoélectriques 1 1 .

Lesdites première et seconde faces 12,13 sont, par exemple, de section ovales pour les premières et/ou circulaires pour les secondes. De façon plus générale, toute section de forme arrondie et/ou polygonale est possible.

De tels éléments 1 1 fonctionnent, selon l'effet Seebeck, en permettant de créer un courant électrique dans une charge connectée entre lesdites faces 12,13 soumises au gradient de température. De façon connue de l'homme du métier, de tels éléments 1 1 sont constitués, par exemple, de Bismuth et de Tellurium (Bi2Te3).

Les éléments thermoélectriques 1 1 pourront être, pour une première partie, des éléments d'un premier type, dit P, permettant d'établir une différence de potentiel électrique dans un sens, dit positif, lorsqu'ils sont soumis à un gradient de température donné, et, pour l'autre partie, des éléments d'un second type, dit N, permettant la création d'une différence de potentiel électrique dans un sens opposé, dit négatif, lorsqu'ils sont soumis au même gradient de température.

Les éléments thermoélectriques 1 1 sont constitués d'un anneau en une seule pièce. Ils pourront cependant être formés de plusieurs pièces formant chacune une portion angulaire de l'anneau.

La première surface 12 présente, par exemple, un rayon compris entre 1 ,5 et 4 fois le rayon de la seconde surface 13. Il pourra s'agir d'un rayon égal à environ deux fois celui de seconde surface 13.

Ledit élément thermoélectrique 1 1 présente, par exemple, deux faces latérales planes parallèles opposées. La figure 3 représente de façon très schématique un tel module 10 thermoélectrique, conforme à la figure 1 . Dans le dispositif thermoélectrique, ces modules 10 sont maintenus par des plaques 20. Il s'agit de plaques planes d'allure rectangulaire ou carrée, comme illustré en figure 4. Chaque plaque 20 comporte une pluralité de logements 21 , correspondant à des orifices circulaires, dont le diamètre est très légèrement supérieur au diamètre du module 10 afin de pouvoir l'insérer dans le logement 21 de façon perpendiculaire à la plaque 20.

Les logements 21 sont répartis ici en deux rangées situées en vis-à-vis l'une de l'autre : une rangée supérieure R1 située en partie supérieure de la plaque 20 et une rangée inférieure R2 située en partie inférieure de la plaque 20. La partie centrale 22 de la plaque 20 est pleine et ne comporte aucun logement.

Les logements 21 sont régulièrement espacés les uns des autres. La distance entre deux logements 21 adjacents est toujours la même le long de la rangée, et d'une rangée à l'autre également.

Toutes les plaques 20 sont identiques au sein d'un même dispositif thermoélectrique 40. L'assemblage de toutes les plaques 20 forme ainsi un corps au sein du dispositif thermoélectrique.

Dans le dispositif thermoélectrique 40, les plaques 20 sont disposées parallèlement les unes aux autres, avec un espace constant entre les plaques 20 adjacentes. Les plaques 20 sont alignées de manière à ce que les logements 21 soient alignés, c'est-à-dire se retrouve dans le prolongement les uns des autres afin que les modules 10 puissent être introduits dans les logements 21 successifs. Chaque module 10 traverse la totalité des plaques 20 du dispositif thermoélectrique 40 et est orienté orthogonalement aux plaques 20.

Le fluide chaud F1 passe au travers de ces plaques. Ces dernières sont constituées d'un matériau métallique afin de pouvoir conduire au mieux la chaleur provenant du fluide chaud F1 vers la première surface active 12 des éléments thermoélectriques 1 1 des modules 10. Ces plaques constituent ainsi des surfaces d'échange, à la manière d'ailettes traditionnelles. La figure 5 illustre schématiquement, un générateur thermoélectrique 30 selon l'invention, en particulier lorsqu'il est positionné dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile. Les gaz d'échappement dudit véhicule automobile sont utilisés, ici, comme fluide chaud F1 afin de générer un gradient de température avec le fluide froid F2.

Ce générateur 30 comporte un dispositif thermoélectrique 40 tel que décrit précédemment. Les plaques 20 sont orientées parallèlement au flux des gaz d'échappement F1 . Ces gaz entrent par un conduit d'entrée 34 du générateur, circulent entre les plaques 20, et ressortent par un conduit de sortie 37 du générateur. Le générateur 30 présente un axe central X de circulation des gaz d'échappement F1 , le conduit d'entrée et le conduit de sortie étant coaxiaux et centrés sur cet axe X.

Les modules 10, et donc a fortiori le fluide froid F2 circulant dans les modules 10, sont orientés perpendiculairement au flux des gaz d'échappement F1 . On assiste donc à un agencement en flux croisés (« cross flow » en anglais) entre les fluides F1 et F2 au sein du générateur 30.

Les rangées R1 et R2 de modules 10 s'étendent quant à elles dans une direction d'allure parallèle au flux du premier fluide F1 . Ces deux rangées R1 et R2 délimitent un conduit d'écoulement central 38 du premier fluide F1 au sein du générateur 30.

En référence à la figure 7, le générateur 30 comporte des conducteurs métalliques 53, à savoir des électrodes 53, et en particulier deux électrodes 53a, 53b disposées en vis-à- vis sur les parois internes du conduit d'entrée 34, et reliées entre elles par un conducteur électrique du type grille ou fil unique. Dans le cas où le conduit d'entrée 34 est de section circulaire, les électrodes 53a, 53b sont diamétralement opposées. Le flux de circulation du fluide froid F1 passe intégralement entre ces deux électrodes 53a, 53b, c'est-à-dire à travers la grille ou le fil unique.

II s'agit plus précisément d'électrodes 53 à haute tension (entre 3kV et 15kV) émettant un champ électrique propagé dans le conduit d'entrée 34 via la grille ou le fil unique. Le fluide froid F1 passe ainsi à travers ce champ électrique, et les particules fines qu'il contient, provenant d'une mauvaise combustion, se font ioniser par ce champ électrique. En d'autres termes, les électrodes 53 chargent électriquement les particules. Les particules entrant ensuite dans le corps du dispositif thermoélectrique 40 ne sont plus électriquement neutre, mais sont chargées soit positivement (cations), soit négativement (anions).

Ces particules ionisées pénètrent ainsi dans le corps, et sont attirées par les plaques 20 métalliques suite à un effet électrostatique. En effet, les plaques 20 sont reliées à la masse 54, en particulier à la masse électrique du véhicule. Les particules ionisées viennent alors se coller sur les plaques 20 métalliques, et s'agglomèrent les unes aux autres pour former de grosses particules. Les plaques 20 fonctionnent ainsi comme un piège à particules par agglomération de petites particules en grosses particules. Il agit donc comme un agglomérateur électrostatique.

Lorsque les particules sont suffisamment grosses et lourdes, elles se détachent des plaques 20 et se font emmener vers le conduit de sortie 37 via le flux de circulation du fluide chaud F1 . Un filtre standard à particule est alors positionné en aval du générateur 30 afin de capter ces grosses particules.

Grâce à cette invention, il est donc possible de filtrer aussi bien les particules fines que les grosses particules, et ce sans rajouter un système de filtration à particules fines en sus du générateur thermoélectrique 30.

Pour que l'invention fonctionne correctement, la distance entre les plaques 20 ne doit être ni trop petite, ni trop grande, afin :

- de limiter la perte de charge dans le générateur 30, c'est-à-dire conserver un débit admissible du fluide chaud F1 qui circule à travers le générateur 30 ; dans ce cas la distance entre les plaques 20 soit être suffisamment grande.

- d'exposer la totalité des particules ionisées à l'effet électrostatique ; c'est-à-dire que toutes les particules ionisées doivent se retrouver assez proche d'une plaque 20 pour être attirée par la plaque 20 lors de leur circulation au sein du générateur 30 ; dans ce cas, la distance entre les plaques 20 doit être suffisamment petite pour qu'il n'y ait pas de flux central entre deux plaques 20 dont les particules ne soit attirées par aucune des deux plaques 20, et passent ainsi au milieu pour ressortir du générateur 30 sans s'être agglutinées au préalable. Le fait que les plaques 20 soient planes permet une répartition homogène des particules collées sur les plaques 20.

Pour mettre en œuvre l'invention, un circuit électrique tel qu'illustré en pointillés en figure 7 est installé dans le dispositif thermoélectrique 40. En particulier, les modules thermoélectriques 10 produisent de l'électricité via les éléments thermoélectriques 1 1 comme expliqué précédemment. Ces modules 10 sont reliés entre eux via les lignes électriques 55, 56 et sont reliés à un convertisseur 52 DC/AC ou DC/DC, transformant le courant continu généré par les modules thermoélectriques 10 en courant alternatif ou continu haute tension, afin d'alimenter les deux électrodes 53a, 53b haute tension permettant l'ionisation des particules fines.

Lors de la mise en chauffe du véhicule, au démarrage, la filtration des particules fines doit d'ores et déjà fonctionner, même si les modules thermoélectriques 10 ne produisent pas encore suffisamment d'électricité, la différence de température entre la source chaude et la source froide n'étant pas encore suffisamment significative. Pour assurer cette fonction, une batterie 51 est ajoutée au circuit électrique, comme illustré en figure 8. Dans ce cas, un premier convertisseur 50 basse tension DC/DC, alimenté par les modules thermoélectriques 10, assure une tension aux bornes de la batterie 51 comprise entre 0 et 48V. Cette batterie 51 est reliée aux bornes des électrodes 53 haute tension par le biais d'un second convertisseur 52 haute tension DC/DC ou DC/AC. La batterie 51 assure l'alimentation en permanence de la première électrode 53a, ainsi que celle de la seconde électrode 53b reliée par exemple en série à la première électrode 53a, y compris dans la phase de démarrage moteur.

Ainsi, l'électricité produite par les modules thermoélectriques 10 est avantageusement utilisée pour alimenter les électrodes 53 pour la filtration de particules, notamment via une batterie 51 fonctionnant même durant la phase de démarrage moteur.

Selon un autre aspect de l'invention, les plaques 20 métalliques du dispositif thermoélectrique comprennent avantageusement un revêtement catalytique de sorte à réaliser une conversion catalytique de composants toxiques du fluide chaud F1 , donc des gaz d'échappement.

Ces plaques endossent ainsi la fonction de substrat catalytique pour le contrôle de l'émission des gaz d'échappement F1 en sortie du véhicule automobile. Ce revêtement comporte des molécules de métaux rares, par exemple des molécules de Platine, Rhodium, Palladium. Ces molécules serviront pour les réactions catalytiques, notamment au contact des gaz d'échappement constituant la source chaude F1 , lesdites réactions catalytiques permettant la dépollution desdits gaz d'échappement F1 .

Ainsi, les plaques 20 assurent une pluralité de fonctions :

- elles permettent le centrage et le maintien des modules 10 au sein du générateur

30 ;

- elles assurent la conduction thermique vers les premières faces actives 12 des éléments thermoélectriques 1 1 ;

- elles permettent l'agglomération de particules fines des gaz d'échappement pour la filtration ;

- elles réalisent la conversion catalytique des composants toxiques des gaz d'échappement.

Le générateur thermoélectrique de l'invention 30 pourra comprendre, en outre, un dispositif de contrôle de débit 32 bien visible en figure 5 par exemple. Ce dispositif de contrôle de débit 32 est positionné - dans le sens de circulation du fluide chaud F1 selon l'axe central X - en aval des plaques 20.

Ledit dispositif de contrôle de débit 32 a pour fonction de moduler le débit desdits gaz d'échappement F1 , à travers ledit générateur 30. Autrement dit, sa fonction consiste à diriger le flux du fluide chaud F1 au plus près des éléments thermoélectriques 1 1 , en particulier en cas de faible débit afin d'optimiser la production d'électricité.

Pour ce faire, le dispositif de contrôle de débit 32 consiste, avantageusement, en une vanne 32. Ladite vanne 32 comprend un corps de vanne 33 et un clapet 39. Le corps de vanne 33 comprend un orifice central, ouvert ou non, en fonction de la position du clapet 39. En effet, le clapet 39 est articulé par rapport au corps de vanne 33. La vanne 32 est donc apte à occuper une position ouverte, une position fermée, ou une position intermédiaire (voir figures 5 et 6). La vanne 32 pourra comprendre pour cela des moyens d'actionnement du clapet 39, non représentés, par exemple intégrés au générateur 30. Ils sont avantageusement configurés pour permettre audit clapet 39 d'occuper toute position angulaire.

Avantageusement, et notamment pour des raisons d'intégration et de compacité du générateur 30, le corps de vanne 33 est situé dans le conduit d'écoulement central 38 du générateur, dans le prolongement du dispositif thermoélectrique 40, et centré sur l'axe X.

Le parcours desdits gaz est schématisé par des flèches sur la figure 6. Les flèches représentent un débit de gaz. Schématiquement, nous avons représenté un débit important par des flèches plus épaisses. Les références numériques des différentes pièces ne sont répétées sur cette figure, dans un souci de clarté pour mieux représenter le parcours des gaz F1 , mais on peut se reporter à la figure 5 qui est identique.

Lorsque la vanne 32 est ouverte, le flux principal F1 p des gaz circule à travers le conduit d'écoulement central 38 et seule une faible fraction desdits gaz, appelé flux secondaire Fi s passe entre les modules 10. Ce cas de figure apparaît en particulier lors du démarrage du moteur thermique (moteur non illustré). La température des gaz est alors, par exemple, inférieure à 400°C pour un fluide de refroidissement dont la température est, par exemple, inférieure à 100°C. Il est à noter que la fraction des gaz traversant le générateur 30 favorise le transfert de la chaleur des gaz chauds F1 dans le liquide froid F2 lors des phases de démarrage moteur, ce qui pourra permettre d'accélérer sa mise en température nominale. D'autre part, lorsque la vanne 32 est en position fermée, les gaz F1 sont guidés vers les deux rangées R1 , R2 de modules thermoélectriques 10, selon le flux secondaire Fi s.

Plus précisément, un boîtier 31 est placé autour du générateur thermoélectrique 30 pour guider lesdits gaz F1 vers le flux secondaire Fi s. Les gaz F1 passent ainsi entre les modules 10, jusqu'à arriver contre la paroi interne du boîtier qui les dirige ensuite vers deux conduits secondaires 35,36. Les gaz F1 ayant circulé à travers la rangée supérieure R1 de modules arrivent dans le conduit secondaire supérieur 35, et les gaz F1 ayant circulé à travers la rangée inférieure R2 de modules arrivent dans le conduit secondaire inférieur 36. Ces deux conduits secondaires 35,36 rejoignent le conduit d'écoulement central 38 en aval de la vanne 32, pour déboucher ensuite sur le conduit de sortie 37 du générateur 30.

Cette configuration avec la vanne 32 en position fermée convient plus particulièrement pour des débits de gaz d'échappement faibles. Ledit débit sera, par exemple, inférieur à 30g/s pour une température des gaz, par exemple, inférieure à 750°C. Autrement dit, le générateur thermoélectrique 30 est configuré de manière à ce que, lorsque le clapet 39 occupe la position fermée, le premier fluide F1 circule principalement entre les modules 10 et à travers les conduits secondaires 35,36, et lorsque le clapet 54 est en position ouverte, ledit premier fluide F1 circule principalement à travers le conduit d'écoulement central 38 du générateur 30, bien qu'une partie dudit fluide F1 puisse circuler dans les conduits secondaires 35,36.

Dans tous les cas, le premier fluide F1 passe entre les plaques 20 en les longeant sur toute leur longueur, et est en contact avec la partie centrale 22 des plaques 20 et/ou avec les tronçons 23 de plaque reliant les logements (voir figure 4).

Cela signifie que les plaques 20 captent les particules ionisées du premier fluide F1 dans deux directions perpendiculaires, c'est-à-dire aussi bien dans la direction du flux principal du premier fluide F1 p selon l'axe X, que dans la direction du flux secondaire du premier fluide F1 s orthogonalement à l'axe X.

De la même manière, cela signifie que ledit premier fluide F1 subit un traitement catalytique quelle que soit la position dudit clapet 39. Ainsi, les plaques fonctionnent comme un substrat catalytique dans deux directions perpendiculaires, c'est-à-dire aussi bien dans la direction du flux principal du premier fluide F1 p selon l'axe X, que dans la direction du flux secondaire du premier fluide Fi s orthogonalement à l'axe X.

Il est à noter que le boîtier 31 sert d'enveloppe externe protectrice, notamment de manière à permettre le positionnement dudit générateur 30 dans une ligne d'échappement de véhicule automobile et/ou dans un circuit de gaz d'échappement recirculés de véhicule automobile.

Dès lors, le générateur thermoélectrique 30 de l'invention, comprenant ledit dispositif thermoélectrique 40 et ledit dispositif de contrôle de débit 32, agit comme générateur d'énergie thermoélectrique et comme contrôleur d'émission de gaz toxiques et de particules. Le fonctionnement du dispositif de contrôle de débit 32 se fera en rapport au débit de gaz d'échappement F1 mesuré, par exemple à l'entrée du générateur thermoélectrique 30 :

- lorsque le débit est inférieur à 20% du débit maximal mesurable, la vanne 32 est fermée et les gaz d'échappement F1 passent exclusivement dans les conduits secondaires 35,36 ; l'écoulement des gaz s'effectue donc principalement perpendiculairement à l'axe central X du générateur 30 ;

- lorsque le débit est supérieur à 20% du débit maximal mesurable tout en restant inférieur à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 32 est partiellement ouverte pour éviter une élévation de la pression résultante dans les conduits secondaires 35,36 ; l'écoulement du gaz est mixte et s'effectue à la fois selon l'axe central X (dans le conduit principal) et perpendiculairement à l'axe central X (dans les conduits secondaires) ;

- lorsque le débit est égal à 100% de ce débit maximal mesurable, la vanne 32 est ouverte et la pression résultante est la même au niveau des conduits secondaires

35,36 que dans le conduite d'écoulement principal 38 ; l'écoulement du gaz est mixte et s'effectue à la fois selon l'axe central X et perpendiculairement à l'axe central X.

En ce qui concerne la description ci-dessus, les relations dimensionnelles optimales pour les parties de l'invention, en incluant les variations de taille, de matériaux, de formes, de fonction et de modes de fonctionnement, d'assemblage et d'utilisation, sont considérées comme apparentes et évidentes pour l'homme du métier, et toutes les relations équivalentes à ce qui est illustré dans les dessins et ce qui est décrit dans le mémoire sont censées être incluses dans la présente invention.