Appareil pour la production du froid au moyen de l'effet Peltier. Le but de la. présente invention est l'uti- ïisation du phénomène électrofrigorifique, connu SOUS le nom d'effet Peltier, pour la production dit froid et la construction l'ap- pareils frigorigènes.
Dans cette méthode de production du froid par le courant électrique, la substance frigorigène qui consiste dans la, soudure de deux corps conducteurs différents n'éprouve has de changement d'état physique ou chi mique. Il n'y a pas de mouvement de ma- 1 ièr e. Les appareils sont entièrement sta tiques. 11 n'y a. aucun organe mobile.
Divers dispositifs ont déjà été proposés pour utiliser l'effet Peltier. Les dispositions ilue nous décrivons ci-après donnent le moyen d'améliorer grandement le rendement frigo rifique de cet effet.
Le froid produit aux soudures par l'ef fet Peltier est proportionnel à l'intensité du vourant. En outre par suite de l'effet Joule, le courant produit, dans tout le circuit, de la ,-haleur proportionnellement au carré de son intensité. Enfin les soudures qui alternent avec les soudures froides s'échauffent par ef fet Peltier inverse.
Pour utiliser le froid Peltier, les couples frigorigènes comprendront deux régions dis tinctes: celle où le froid Peltier est concentré, et celle où les chaleurs Joule et Peltier sont dissipées dans le milieu ambiant.
Dans la région froide, il faudra: <B>1.0</B> Réduire le plus possible la chaleur Joule qui tend à masquer .le froid Peltier.
?o Atténuer les pertes par conductibilité thermique à travers les conducteurs, pertes qui diminuent la .chute de température à la .soudure froide.
<B>30</B> Eviter les pertes par rayonnement et: convection.
Dans la région chaude on devra: Favoriser le rayonnement et la convection des chaleurs Joule et Peltier dans le milieu ambiant et éviter leur propagation par con- ductibilité thermique et convection du côté de la région froide.
-Ces diverses dispositions, combinées avec le meilleur réglage du courant, permettent l'utilisation de l'effet Peltier polir la produc tion continue du froid.
Le dessin annexé représente schématique ment, à titre d'exemples, diverses formes d'exécution de l'appareil suivant la présente invention que nous classons en deux catégo ries: I. Celles dans lesquelles toutes les sou dures servent à refroidir un espace donné, avec les substances solides, liquides et ga zeuses qui s'y trouvent.
-II. Celles où l'on n'utilise le froid que d'une partie des soudures, les autres sou dures servant uniquement à absorber la chaleur Joule et à refroidir les couples sur une plus grande longueur de manière à ob tenir une température plus basse aux sou dures utilisées.
<I>Première catégorie.</I> La fig. 1 représente la coupe longitudinale d'un couple frigori gène; Les fig. 2 et 3 sont respectivement une coupe longitudinale et une vue en plan d'un appareil de démonstration à couple unique; Les fig. 4 et 5 sont une coupe longitudi nale et -une coupe transversale d'un appareil à couples multiples où la région chaude est refroidie par l'air; La fig. 6 représente la coupe longitudi nale d'un frigorigène à couples multiples dont la région chaude est refroidie par l'air et par l'eau;
Les fig. 7 et 8 montrent la coupe longi tudinale et la vue en plan d'un appareil à couples multiples où la région chaude est re froidie par l'eau selon une disposition diffé rente de la précédente; Deuxième catégorie. Les fig. 9 et 10 sont respectivement une coupe longitudinale et une coupe transversale d'un appareil à son dures échelonnées dont la fig. 11 est la vue en perspective chi massif frigorigène;
Les fig. 12 et 13 se rapportent û la coupe et à la vue en perspective d'un massif formé d'un grand nombre d'étages; La fig. 14 montre en perspective un mas sif dont les soudures sont en spirale; La fig. 15<B>-</B>montre le développement de cette spirale;
Les fig. 16;<B>17</B> et lb montrent respecti vement une coupe longitudinale schématique, une vue en plan avec coupe transversale par tielle et une.vue en perspective d'un massif' dont les centres frigorigènes sont à l'exté rieur et à l'intérieur du massif; Les fig. 19 et 20 montrent schématique ment des coupes longitudinales de deux mas sifs aplatis, l'un dont toutes les soudures sont extérieures, l'autre dont les soudures sont les unes intérieures, les autres exté rieures; La fig. 21 est une coupe schématique montrant. les trois régions d'un massif à étages;
La fig. \?2 est la, coupe schématique d'un appareil à, étages dont les soudures plongent dans un liquide à, chaque étage: La fig. 23 est une coupe d'un appareil étagé clans lequel chaque étage plonge. dans le liquide contenu .dans une enceinte isolante entourant l'enceinte de l'étage précédent; La fig. 24 est une vue en perspective d'une chambre froide clans laquelle aboutis- sent plusieurs massifs étagés.
Maris toutes ces figures, on a utilisé les mêmes chiffres pour représenter les mêmes organes.
Exemple <I>Î</I> La fig. 1. montre la coupe d'un appareil (le démonstration constitue> par un seul ooupl.e. Ce couple est formé d'un conducteur tu- bulaire .en alliage de bismuth 1 entourant un conducteur cylindrique en antimoine 2. Les cieux eonduetPnrs isolés l'un de l'autre sur toute leur longueur n'ont de contact qu'à, la base où le cylindre d'antimoine s'élargit et oü il est, soudé directement au tube de bis- mntb.
t1 l',iiiitre extrémité, chaque conducteur est soudé respectivement à une plaque de cui vre 3 et 4, portant la prise -de courant cor respondante. La soudure froide plonge dans un liquide à refroidir contenu dans un tube Pewar 5. La- distance entre la, soudure froide et les soudures chaudes est suffisante pour empê cher la. chaleur produite à. ces dernières de se propager par conductibilité thermique dans la. région froide du couple.
<I>Exemple II</I> Les fig. 2 et 3 se rapportent à un appa reil de démonstration comprenant un seul couple formé de deux métaux différents: un conducteur vertical cylindrique 2, en anti moine, par exemple, entouré d'un conduc teur tubulaire 1 en alliage de bismuth.
Ces deux conducteurs isolés l'un de l'autre sur toute leur longueur n'ont de contact qu'à, la base où ils sont soudés ensemble par une plaque de cuivre 6 qui réunit les deux con ducteurs. La- partie horizontale qui pro longe les deux conducteurs au sommet forme lin disque en deux secteurs inégaux, le plu: grand correspondant au bismuth. Chacun de ces deux secteurs qui est percé de trous pour activer la convection porte une prise de cou rant 7 respectivement 8.
La soudure et son voisinage plongent dans un liquide à refroidir, contenu dans un vase Dewar 5.
Les prises de courant 7 et 8 étant reliées respectivement aux pôles -4- et - d'un gé nérateur de courant continu. un courant s'é tablit, allant du bismuth à l'antimoine en passant à travers la soudure qui, en se re froidissant par effet Peltier, abaisse la tem pérature du liquide. Le vase Dewar dont les parois sont isolantes constitue la chambre froide de l'appareil.
La chaleur Peltier (effet: Peltier inverse) développée aux bornes 7 et 8, ainsi que- la -haleur Joule produite dans les conducteurs :ont dissipées en grande partie par les sec- fi-tirs supérieurs, dont les grandes surfaces m)nt favorables au refroidissement.
Pans ces deux appareils, comme dans tous ceux dont la description suivra, on a dc- lerniiné les sections des deux métaux de telle façon que les surfaces de ces sections soient clan:
le même rapport que les résistivités des (leiix métaux, condition essentielle pour atté- nuer le plus possible la chaleur Joule et les pertes par conductibilité thermique, et par conséquent, pour obtenir la meilleure chute de température ou le maximum de frigorie: à la soudure. Toutefois, on pourra, suivant les métaux employés et suivant la longueur de région froide utilisée, augmenter ou di minuer jusqu'à 10 % environ la section du plus résistant des deux métaux, la section to tale du couple restant la même.
La section du couple dépend naturelle ment de l'intensité du courant qui la. par court. La section -transversale des métaux formant un couple pourra avoir les formes les plus diverses: circulaire, carrée, rectan gulaire, en forme de couronne, de segment, ctc. Les conducteurs formeront ainsi des-bar- res cylindriques à. section .entière ou fragmen tée, des barres carrées ou rectangulaires, des feuilles, des rubans, des fils, des tubes à sec tion entière ou fragmentée.
Les deux métaux pourront aussi être appliqués par tout pro <B>c</B> e 'dé <B>.</B> de métallisation sur un des côtés d'une feuille de papier ou d'un tissu. Les deux métaux d'un couple pourront être placés l'un devant l'autre, l'un à côté de l'autre, ou l'un autour de l'autre.
Plusieurs -couples peuvent être juxtaposés: on forme ainsi des massifs métalliques de sec tion circulaire, ou polygonale ayant une eer- taine hauteur et dont l'une des bases con tient les soudures frigorigènes.
Exemple <I>III</I> Les fig. -1 et 5 représentent un frigori- énc à couples multiples.
Les couples disposés radialement et super posés sont formés chacun d'une, pièce d'anti moine 2 placée entre deux groupes de deux pièces 1 en alliage de bismuth. Ces cinq pla ques isolées les unies des autres sont soudées à l'extrémité froide à une bande de cuivre 6l. Le centre de l'appareil est occupé par un tube de verre 11, contenant le liquide â, re froidir. Les plaques métalliques sont pleines jusqu'à. une certaine distance du centre. C'est la zone froide.
Extérieurement, elles sont percées de trous qui favorisent la convection de la cha leur Joule dans le milieu ambiant. Entre les couples, radialement et longitudinale ment, se trouve un remplissage en matière isolante appropriée 9 qui s'arrête radiale- ment au commencement de la. partie trouée des plaques métalliques. Deux disques cons titués de la. même matière isolante, ou de toute autre, couvrent l'un le dessus, l'autre le dessous de la partie centrale de l'appareil.
Les couples composant cet appareil sont connectés entre eux en série par des plaques de cuivre 10, soudées aux métaux; la sur- face de ces plaques de cuivre est suffisante pour activer la dissipation dans le milieu ambiant (le la chaleur Peltier qui se déve. loppe à ces soudures.
<I>Exemple IV</I> La. fig. 6 est une coupe longitudinale cl'un appareil à couples multiples dont les soudures Dans chaudes cet appareil, sont refroidies. les couples par 1, de 2 l'eau. sont en forme d'U renversé,
soudés à l'extrémité froide à une bande de cuivre 6.
La région froide forme un anneau cen t ral plongeant dans un vase isolant 5 conte- >> zut un liquide incongelable qui entoure un f,ibe 11 dans lequel se trouve le liquide à refroidir.
La. partie rayonnante des couples consiste clans la portion horizontale de 1'U, suivie d'une portion verticale plongeant dans une cuve à eau 12, ou un autre liquide dont les courants de convection enlèvent autour des métaux la chaleur produite. Toute la partie rayonnante est percée de trous pour favori ser la. eonvection.
<I>Exemple V</I> Les fig. 7 et 8 représentent respective ment une coupe longitudinale d'un disposi tif à couples multiples dont la. région chaude est refroidie par de l'eau ou un autre li quide, et une coupe transversale du groupe ment des couples.
Les couples 1, 2 de cet appareil en forme dl ont une partie verticale qui est la ré- pion froide, et une partie horizontale percée de trous qui est la région rayonnante.
La partie horizontale est. à la base de l'appareil et plonge dans une cuve à eau 12. Sur la partie verticale est placé, reposant sur les plaques de cuivre 6, qui constituent les soudures, un vase 5, contenant un li quide à refroidir.
La région froide est entièrement recou verte d'une cloche isolante 13.
Les couples sont connectés entre eux en série par des conducteurs 10.
Avec un couple frigorigène ou un fais ceau de couples dont toutes les soudures sont dans un même plan ou dans une même surface perpendiculaire à la. direction des conducteurs, on ne peut pas dépasser un cer tain abaissement de température (10 à 11 avec les couples les plus énergiques).
Ceci s'explique par les pertes dues à la conductibilité thermique qu'on ne peut pas éviter et par le fait qu'il n'est pas possible de dépasser une certaine densité de courant à cause de la. chaleur Joule.
Pour obtenir un plus grand refroidis sement aux soudures d'un couple ou d'un faisceau de couples frigorigènes, il est néces saire d'augmenter la longueur de la région froide (les conducteurs, et, par conséquent, d'absorber la chaleur Joule sur une plus grande longueur.
Exemple <I>VI</I> Les fig. 9. 10 et<B>Il</B> montrent un appareil qui permet d'arriver à ce résultat. Dans cet appareil, les conducteurs 1 et 2 du pre inier eouple ou faisceau de couples sont en tourés d'un deuxième faisceau de couples l' et 2' plus court, dont les soudures 6' s'a.rrè- tent à une certaine distance des soudures f, du premier faisceau.
Les conducteurs l' et 2' du deuxième fais- e.eau seront eux-mêmes entourés d'un troi sième faisceau de couples 1" et 2" dont le:: soudures 6" s'arrêteront à une certaine dis tance clés soudures 6' du deuxième faisceau, et ainsi (le suite.
On forme clé cette façon un massif métal lique dont le nombre d'étages est d'autant plus grand que 1a dénivellation de tempéra- ture à obtenir est plus considérable.
La. chaleur produite dans les couples par effet Joule est absorbée par les soudures froides aux différents niveaux et celle qui est produite par effet Peltier inverse est dis sipée par des ailes 15, 15', 15", 15'", perfo rées ,et plongeant dans l'eau fréquemment re nouvelée d'un bassin inférieur 19 sur le fond duquel repose le massif sans contact électri que.
Une enveloppe isolante 13 entoure le dis positif de façon à former à sa, partie supé rieure une chambre froide 16 recouverte d'un couvercle 14. La basse température de la chambre est entretenue par l'ensemble des soudures froides 6. Toutes les autres sou dures 6', 6", 6"' sont isolées calorifiquement par une masse isolante appropriée 9 que con tient l'enveloppe l'3 autour -de la portion moyenne, de façon à éviter la convection qui tendrait. à. égaliser les températures dans le sens de la hauteur du massif et par consé quent à diminuer la dénivellation totale. Les couples sont connectés entre eux en série ou en série parallèles ainsi que l'indique la fig. 10.
La section totale d'un massif et la section ou le nombre des soudures à un niveau donné augmentent à mesure qu'on s'éloigne du couple (ou du faisceau de couples) le plus long, suivant une propor tion calculée de manière à absorber la cha leur Joule aux divers niveaux parer aux pertes par rayonnement. (réduites au mini mum par l'enceinte isolante) et donner un nombre de frigories suffisantes pour attein dre le régime permanent .dans un temps donné.
La. température, comme la section, dimi auent de la grande base à la petite base du massif. La répartition des températures sui vant la hauteur du massif s'établit unique- trient par conductibilité thermique.
Les soudures auxiliaires, destinées à re froidir les conducteurs .du massif, pourront se trouver toutes à l'extérieur sur les surfaces latérales du massif ou bien elles se trouve ront soit à l'extérieur, soit à. l'intérieur du massif.
Dans ce dernier cas, certaines portions des conducteurs, au lieu d'être parallèles à l'axe du massif pourront former un angle avec cet axe ou suivre des lignes courbes. Les ar rangements pourront être très variés.
La. forme de la section du massif pourra être circulaire, elliptique, polygonale, apla tie, etc. La. section des couples constituant le massif pourra aussi avoir les formes les plus variées.
Exemple <I>V11</I> Les fig. 12 et 13 se rapportent à un mas sif formé d'un grand nombre d'étages dont tous les centres frigorigènes sont extérieurs.
Le faisceau central est cylindrique à sec tion circulaire. Les couples terminés par les soudures auxiliaires sont juxtaposés en forme d'anneaux concentriques de plus en plus courts autour du faisceau central. Les étages sont équidistants, la largeur des anneaux augmente de la petite à la grande base du massif, dans une proportion donnée.
Dans cet exemple, la section totale d'un étage vaut une fois et un tiers celle de l'é tage précédent. Les anneaux pourront aussi avoir tous même largeur. Dans ce cas, la dis tance entre chaque étage diminuera de la petite à la grande base du massif.
<I>Exemple V111</I> Au lieu -de former des étages (escalier), les soudures pourront former une spirale (fig. 14) dont le développement est montré par la fig. 15. La section du massif aug mente insensiblement. La bande spiralée for mée par la juxtaposition des couples a, dans cet exemple, partout même épaisseur. 'Les spires se rapprochent de la petite à la grande base du massif. Les spires pourraient aussi être équidistantes; dans ce cas, l'épaisseur de la bande spiralée augmenterait progressive ment.
<I>Exemple IX</I> Les fig. 16 à 18 représentent une forme d'exécution à centres frigorigènes extérieurs et intérieurs. Cet exemple comporte un en semble de couples constitué par une série d'entonnoirs à surface courbe isolés électri quement et emboîtés les uns dans les autres de manière à former un massif plein. Cha que entonnoir est constitué par des couples en forme de rubans. Comme le montre la fig. 18, ces rubans sont disposés de manière que les soudures forment un certain nombre de lignes en zigzag sur la surface de chaque entonnoir. Les entonnoirs sont disposés les uns dans les autres de telle façon que les lignes des soudures ne se superposent pas.
Elle sont décalées d'un entonnoir à l'autre pour assurer une meilleure répartition des centres frigorigènes dans le massif.
<I>Exemple X</I> Les couples terminés par les soudures, toutes extérieures, pourront, comme le mon tre la fig. 19, avoir la. forme de feuilles ou de lames.
Les couples centraux dont on veut utili ser le froid forment dans cet exemple un cer tain nombre de feuilles juxtaposées comme dans un livre. Des deux côtés du faisceau central sont juxtaposées des feuilles plus courtes dont le nombre (ou l'épaisseur) aug mentera et la longueur diminuera. à mesure qu'on s'éloignera des soudures centrales.
On pourrait aussi, comme dans la fig. 20. intercaler dans le massif des feuilles plus courtes, .entre des feuilles plus longues, de manière à répartir les centres frigorigènes dans toute l'épaisseur du massif.
Au point de vue de leur utilisation, on peut diviser les massifs frigorigènes à sou dures étagées en trois régions cc, <I>b,</I> et c comme l'indique la fig. 21.
La région a est celle où. le froid est uti lisé à la base étroite du massif, elle se trouve dans une enceinte empêchant le mieux pos sible le rayonnement vers l'extérieur. A l'an térieur de cette enceinte, on pourra, par di vers artifices, favoriser le rayonnement et la convection du froid produit. Par exem ple, en écartant les couples ou en di visant leur surface, en munissant la sur- face des couples de pièces métalliques 18 à grandes surfaces et très conductrices, l'ex trémité froide des massifs pourra aussi plon ger dans un liquide contenu dans un réci pient où il sera refroidi et qui présentera une grande surface de rayonnement.
Le liquide refroidi pourra aussi circuler dans des tuyaux en communication avec. le récipient et tapissant les parois de l'en ceinte, etc.
La région b, celle où l'on utilise la con- ductibilité thermique pour produire une plus grande baisse de température, est aussi pla cée dans une enceinte empêchant le rayonne ment avec l'extérieur.
Dans cette région, l'intervalle compris entre les couples et entre le massif et l'en ceinte sera en général rempli d'une substance isolante solide empêchant toute convection.
La troisième région c est celle où l'on fa vorise par divers artifices le rayonnement et la convection avec l'extérieur.
Dans cette région, les couples s'épanoui ront hors du massif et s'écarteront l'un de l'autre, leur section pourra hêtre accrue, leur surface de rayonnement augmentée en les divisant, en perçant des trolls dans leur épais seur, en les munissant d'ailettes, etc. Les couples pourront aussi être refroidis par une circulation de liquides.
Cette région comprendra. aussi, le plus souvent, les soudures où se produit de la eha= leur par le phénomène de Peltier, le courant passant du métal positif au métal négatif.
. Si l'on désire utiliser la chaleur produite à ces soudures, on les placera dans une en ceinte calorifuge; elles formeront alors la quatrième région du massif: la région chaude.
Dans certains appareils, on pourra utiliser la convection des liquides pour égaliser, dans le sens horizontal (perpendiculaire à l'axe du massif), les températures de différents éta ges, comme le montre la fig. 22, en interrom pant la matière isolante à des niveaux déten minés et en la remplaçant par un liquide 22 circulant dans les interstices entre les couples ou dans les canaux traversant le massif.- Dans d'autres appareils, comme dans la fig. <B>23,</B> chaque étage pourra avoir une en ceinte isolante autour de laquelle circulera le liquide refroidi par les soudures de l'étage supérieur.
On obtient ainsi un meilleur re froidissement (17 à.<B>18'</B> avec des couples énergiques pour des appareils à deux .étages).
La dernière fig. 24 est une vue d'une chambre froide 19, dans laquelle aboutissent plusieurs massifs étagés 20, noyés dans une matière isolante 9. Les soudures froides plongent dans un liquide incongelable 21 contenu dans un bassin dont le fond, formant l'une des parois de la chambre froide, porte nervures facilitant la convection.
Dans tous les appareils décrits ci-dessus, Ici deux métaux d'un couple sont soudés à une de leurs extrémités et de là électrique- nic-nt isolés et juxtaposés sur une partie de leur parcours.
Les deux métaux d'un couple pourront aussi. à. partir de la soudure où le froid est utilisé. être dans le prolongement l'un de l'autre ou former un angle l'un avec l'autre. Dans ce cas, les conducteurs sortiront en deux points différents de l'enceinte isolante.
Plusieurs couples présentant cette dispo sition pourront être associés et .groupés en rliicane si leurs sections sont différentes. Chacun des deux conducteurs ou faisceaux de conducteurs aboutissant aux soudures froides pourra être entouré de soudures auxiliaires échelonnées pour augmenter la chute de tem pérature.
Les massifs métalliques pourront être utilisés .à diverses températures, c'est-à-dire qu'ils pourront se trouver soit dans un mi lieu à température atmosphérique. soit dans un milieu à température plus basse, obtenue artificiellement (par exemple celle de la glace fondante (0). celle de l'air liquide -<B>180</B> , celle de l'hydrogène liquide 9'59 ).
Aux basses températures, la résistivité L 'lectrique étant plus faible, on pourra em ployer pour une même section du couple une plus grande densité de courant, ou pour une même densité de courant. une section plus faible des conducteurs. Ces massifs pourront être calculés d'après les cornduetibilités élec triques et thermiques que possèdent les mé taux dont ils sont constitués dans la région de température à laquelle ils sont destinés.
Pour les grands massifs, dont la dénivel lation totale ira de la température atmos phérique aux très basses températures, la hauteur du massif, la progression de sa sec tion, la répartition ides soudures froides, aux différents niveaux, seront calculées d'après les conductibilités électriques et thermiques que possèdent les métaux des couples aux di verses températures traversées par le massif.
Pour la construction des massifs frigo rigènes, on choisira. des couples dont les di verses caractéristiques permettront d'obtenir le maximum de frigories. Ce seront ceux qui joindront à un effet Peltier énergique une conductibilité thermique faible et une résistivité électrique faible. On pourra par exemple employer comme métal négatif des alliages de bismuth et d'antimoine, des al liages de nickel et de cuivre, etc.; comme mé tal positif, de l'antimoine, des alliages d'an timoine et de zinc ou d'antimoine et de cad mium, des alliages de fer, ete.
La matière isolante -qui sépare les cou ples et qui dans la partie non active du mas sif remplira les intervalles entre le massif et l'enceinte sera généralement solide. Les subs tances les plus variées pourront être em ployées.
L'isolant pourra. aussi être un liquide, mais à la condition que les interstices entre les couples soient suffisamment petits (tout au moins dans la portion du massif où se produit la dénivellation par conductibilité thermique) ; de manière à éviter les courants de convection tendant à égaliser les tempé ratures de l'extrémité la plus froide à l'ex trémité la moins froide du massif.
Le courant employé sera. du courant con tinu ou du courant redressé. Sa densité va riera avec la nature du couple, le nombre de frigories à obtenir, la disposition des couples dans le massif, etc. Les divers couples d'un massif pourront être associés tous en série ou tous en paral lèle, ou en séries parallèles, ou même partiel lement en série et partiellement en parallèle.
Pour les petits appareils, la paroi isolante de la chambre froide pourra être une double paroi avec vide intermédiaire comme dans le système des récipients Dewar. Elle pourra aussi être une. double paroi métallique polie avec matelas d'air, comme dans les calori- mètres.
Pour les grands appareils, on pourra em ployer les matières isolantes industrielles. On peut aussi, en renversant le sens du courant, avoir de la chaleur aux soudures où, par les dispositions précédemment indi quées, on produit généralement le froid.
On peut ainsi avoir des appareils qui, par un renversement du sens du courant, produi sent à volonté une température d'un certain nombre de degrés au-dessus ou au-dessous de la température ambiante.