ES2931217A1 - DEVICE AND THERMOELECTRIC GENERATOR (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
DISPOSITIVO Y GENERADOR TERMOELÉCTRICODEVICE AND THERMOELECTRIC GENERATOR
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía calorífica en electricidad, y viceversa, por causa de los efectos Seebeck y Peltier. En particular, la presente invención se engloba dentro del sector de la generación de electricidad por medio de dispositivos de aprovechamiento del efecto termoeléctrico. Más en particular, la presente invención está dirigida a un dispositivo termoeléctrico y a diferentes modalidades de generadores termoeléctricos que incluyen el dispositivo termoeléctrico.The present invention belongs to the technical field of the conversion of heat energy into electricity, and vice versa, due to the Seebeck and Peltier effects. In particular, the present invention falls within the field of electricity generation by means of devices that take advantage of the thermoelectric effect. More particularly, the present invention is directed to a thermoelectric device and to different modalities of thermoelectric generators that include the thermoelectric device.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Desde el descubrimiento, a principios del siglo XIX, del primer efecto termoeléctrico (Seebeck) la ciencia de la termoelectricidad ha evolucionado considerablemente hasta dar lugar al desarrollo de numerosos dispositivos que aprovechan los efectos termoeléctricos para diversas aplicaciones en diferentes campos. Así, existen aplicaciones de medición de temperatura (termopares), generación de potencia (termopila, generadores termoeléctricos), recuperación de waste heat (por ejemplo en tubos de escape de vehículos o en tuberías y circuitos de refrigeración de centrales térmicas), control de temperatura (refrigerador/célula Peltier), hasta modernos termocicladores que utilizan tecnología Peltier para beneficiarse de las propiedades de los materiales semiconductores, o incluso aplicaciones espaciales para alimentación eléctrica de sondas y equipamiento de satélites artificiales.Since the discovery, at the beginning of the 19th century, of the first thermoelectric effect ( Seebeck) , the science of thermoelectricity has evolved considerably, leading to the development of numerous devices that take advantage of thermoelectric effects for various applications in different fields. Thus, there are applications for temperature measurement (thermocouples), power generation (thermopile, thermoelectric generators), waste heat recovery (for example in vehicle exhaust pipes or in pipes and refrigeration circuits of thermal power plants), temperature control (refrigerator/Peltier cell), to modern thermal cyclers that use Peltier technology to take advantage of the properties of semiconductor materials, or even space applications for power supply of probes and equipment of artificial satellites.
Como denominador general, desde dicha concepción de la termoelectricidad, los diferentes desarrollos han buscado aumentar el rendimiento de la conversión que realiza un sistema termoeléctrico, es decir, la relación entre el flujo de calor y diferencia de potencial a través del material.As a general denominator, since said conception of thermoelectricity, the different developments have sought to increase the conversion performance carried out by a thermoelectric system, that is, the relationship between the heat flow and potential difference through the material.
En particular, para incrementar la eficiencia y rendimiento de los diferentes dispositivos termoeléctricos, diversos desarrollos se dirigen a intentar la optimización de la Figura de mérito (ZT) mediante la disminución de la conductividad térmica del material termoeléctrico sin disminuir las prestaciones eléctricas. Para ello recientemente se han desarrollado complejas tecnologías de deposición de nanopartículas o masking sobre láminas delgadas de material termoeléctrico para dar lugar a dispositivos nanoestructurados, o retículas nanométricas, que permitan modificar el transporte de fonones en el material, y con ello disminuir su conductividad térmica.In particular, to increase the efficiency and performance of the different thermoelectric devices, various developments are aimed at trying to optimize the Figure of Merit (ZT) by reducing the thermal conductivity of the material. thermoelectric without reducing electrical performance. To this end, complex nanoparticle deposition technologies or masking on thin sheets of thermoelectric material have recently been developed to give rise to nanostructured devices, or nanometric lattices, which allow the phonon transport in the material to be modified, thereby reducing its thermal conductivity.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención propone una solución para incrementar la eficiencia de un dispositivo termoeléctrico mediante un dispositivo termoeléctrico según la reivindicación 1, y un generador termoeléctrico según la reivindicación 25. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.The present invention proposes a solution for increasing the efficiency of a thermoelectric device by means of a thermoelectric device according to claim 1, and a thermoelectric generator according to claim 25. Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims.
En un primer aspecto inventivo se define un dispositivo termoeléctrico que comprende:In a first inventive aspect, a thermoelectric device is defined, comprising:
- una primera lámina dispuesta sobre una primera porción de sustrato;- a first sheet arranged on a first portion of substrate;
- una segunda lámina dispuesta sobre una segunda porción de sustrato;- a second sheet arranged on a second substrate portion;
- dos capas aislantes eléctricamente, estando cada capa configurada para intercambiar calor con un foco térmico, respectivamente; y- two electrically insulating layers, each layer being configured to exchange heat with a heat source, respectively; Y
- cuatro contactos eléctricos;- four electrical contacts;
en donde la primera porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;wherein the first substrate portion is thermal and electrical insulating and comprises a first and a second end, wherein the first end is in contact with one electrically insulating layer and the second end is in contact with the other electrically insulating layer;
en donde la segunda porción de sustrato es aislante térmico y eléctrico y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;wherein the second substrate portion is thermally and electrically insulating and comprises a first and a second end, wherein the first end is in contact with one electrically insulating layer and the second end is in contact with the other electrically insulating layer;
en donde la primera lámina es una lámina de material termoeléctrico, de conductividad eléctrica tipo n o de tipo p, y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente, y en donde el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente;wherein the first sheet is a sheet of thermoelectric material, of electrical conductivity type n or type p, and comprises a first and a second end, wherein the first end is in contact with an electrically insulating layer, and wherein the second end is in contact with the other electrically insulating layer;
en donde la segunda lámina es una lámina de material termoeléctrico, de tipo opuesto al de la primera lámina, y comprende un primer y un segundo extremo, en donde el primer extremo está en contacto con una capa aislante eléctricamente, y el segundo extremo está en contacto con la otra capa aislante eléctricamente; wherein the second sheet is a sheet of thermoelectric material, of the opposite type to that of the first sheet, and comprises a first and a second end, wherein the first end is in contact with an electrically insulating layer, and the second end is in contact with contact with the other electrically insulating layer;
en donde dos contactos eléctricos están dispuestos sobre la primera lámina, estando cada contacto eléctrico dispuesto próximo a un extremo de dicha primera lámina, respectivamente;wherein two electrical contacts are arranged on the first sheet, each electrical contact being arranged close to one end of said first sheet, respectively;
en donde los otros dos contactos eléctricos están dispuestos sobre la segunda lámina, estando cada contacto eléctrico dispuesto próximo a un extremo de dicha segunda lámina, respectivamente;wherein the other two electrical contacts are arranged on the second sheet, each electrical contact being arranged close to one end of said second sheet, respectively;
en donde el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato.wherein the cross-sectional area of thermoelectric material is equal to or less than one-tenth of the cross-sectional area of substrate.
En cuanto a la nomenclatura utilizada a lo largo del texto, se entenderá que el término lámina hace referencia al componente del dispositivo termoeléctrico compuesto del material termoeléctrico. En relación con la naturaleza de dicho material termoeléctrico del que están compuestas las láminas del dispositivo termoeléctrico de la invención, el experto en la materia entenderá que puede tratarse de material termoeléctrico de conductividad eléctrica tipo "p” o tipo "n”. Es decir, se entenderá que si el material termoeléctrico es de tipo "p”, se tratará de un material en el que los portadores de carga mayoritarios son positivos o huecos. Por consiguiente, se entenderá que si el material termoeléctrico es de tipo "n”, se tratará de un material en el que los portadores de carga mayoritarios son los electrones.Regarding the nomenclature used throughout the text, it will be understood that the term sheet refers to the component of the thermoelectric device made up of the thermoelectric material. In relation to the nature of said thermoelectric material of which the sheets of the thermoelectric device of the invention are composed, the person skilled in the art will understand that it can be a thermoelectric material with type "p" or type "n" electrical conductivity. That is, it will be understood that if the thermoelectric material is of type "p", it will be a material in which the majority charge carriers are positive or hollow. Consequently, it will be understood that if the thermoelectric material is of type "n ”, it will be a material in which the majority charge carriers are electrons.
Es decir, para el funcionamiento del dispositivo y/o de sucesivos generadores que implementen una pluralidad de dispositivos según la invención, se entenderá que se establecen conexiones entre sucesivas primeras y segundas láminas de manera alternativa, de materiales termoeléctricos de tipos opuestos, respectivamente.That is to say, for the operation of the device and/or of successive generators that implement a plurality of devices according to the invention, it will be understood that connections are established between successive first and second sheets in an alternative manner, of thermoelectric materials of opposite types, respectively.
En lo relativo a dichas conexiones, se entenderá que no existen contactos físicos directos entre las distintas láminas. Dicha conexión eléctrica entre láminas se realiza a través de diferentes contactos eléctricos (mediante conectores, cableado y/o mediante los propios contactos eléctricos configurados y/o dimensionados a tal efecto).With regard to said connections, it will be understood that there are no direct physical contacts between the different sheets. Said electrical connection between sheets is made through different electrical contacts (through connectors, wiring and/or through the electrical contacts themselves configured and/or sized for this purpose).
En el dispositivo según la invención, el área transversal de las láminas es mucho menor que el del sustrato (i.e., igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato) y, por tanto, su área transversal relativa será pequeña con independencia del área transversal absoluta del dispositivo termoeléctrico. In the device according to the invention, the cross-sectional area of the sheets is much smaller than that of the substrate (ie, equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the substrate) and, therefore, their relative cross-sectional area will be small regardless of the size. absolute cross-sectional area of the thermoelectric device.
En una realización particular, dichas láminas tienen un espesor del orden de micrómetros (> 1^m), lo que permite que no existan inhomogeneidades a lo largo del espesor de la lámina que pudiesen provocar fugas eléctricas, al mismo tiempo que permite reducir costes de fabricación.In a particular embodiment, said sheets have a thickness of the order of micrometers (> 1^m), which means that there are no inhomogeneities along the thickness of the sheet that could cause electrical leakage, while at the same time reducing manufacturing costs. manufacturing.
De acuerdo a la disposición y geometría de los elementos que conforman el dispositivo termoeléctrico, el flujo de calor viaja paralelamente a la superficie de la lámina de material termoeléctrico. Si bien otras configuraciones en el estado de la técnica donde el flujo de calor corre perpendicular al plano de la lámina permiten obtener valores altos de la figura de mérito (ZT), aparece una seria desventaja en esas configuraciones porque ambos lados del dispositivo tienden a alcanzar temperaturas muy similares debido a la pequeña distancia entre las fuentes de mayor y menor temperatura. Este hecho obliga a proporcionar energía adicional para mantener la temperatura del lado del foco de menor temperatura, lo que disminuye drásticamente los valores de eficiencia.According to the layout and geometry of the elements that make up the thermoelectric device, the heat flow travels parallel to the surface of the sheet of thermoelectric material. Although other configurations in the state of the art where the heat flux runs perpendicular to the plane of the sheet allow obtaining high values of the figure of merit (ZT), a serious disadvantage appears in these configurations because both sides of the device tend to reach very similar temperatures due to the small distance between the sources of higher and lower temperatures. This fact makes it necessary to provide additional energy to maintain the temperature on the side of the bulb with the lowest temperature, which drastically decreases the efficiency values.
De manera ventajosa, el flujo de calor paralelo a la superficie de la lámina termoeléctrica del dispositivo termoeléctrico de la invención permite evitar este inconveniente, evitando el uso de energía extra, y aumentando así la eficiencia del dispositivo.Advantageously, the heat flow parallel to the surface of the thermoelectric sheet of the thermoelectric device of the invention makes it possible to avoid this drawback, avoiding the use of extra energy, and thus increasing the efficiency of the device.
Adicionalmente, la disposición de elementos del dispositivo termoeléctrico de la invención permite aumentar la eficiencia mediante un “desacoplamiento” eficaz de los parámetros térmicos y eléctricos. En particular, en estado estacionario y según la ley de Fourier, el flujo de calor establecido entre un foco caliente y un foco frío genera un gradiente de temperatura en un material homogéneo que es inversamente proporcional a la conductividad térmica del material. En el caso particular del dispositivo termoeléctrico de la invención, donde cada una de las primera y segunda láminas se disponen sobre una porción de sustrato aislante térmico (con una conductividad térmica, por tanto, mucho menor que la de las láminas de material termoeléctrico) y eléctrico, y donde el flujo de calor a través de las láminas de material termoeléctrico es paralelo a la superficie las mismas, la conductividad térmica media del sistema depende del área transversal de la lámina y del sustrato. Como el área transversal de las láminas es mucho menor que el área transversal del sustrato (como máximo la décima parte del área transversal del sustrato), el gradiente de temperatura estacionario estará gobernado por la conductividad térmica del sustrato. Additionally, the arrangement of elements of the thermoelectric device of the invention allows to increase the efficiency through an effective "decoupling" of the thermal and electrical parameters. In particular, in steady state and according to Fourier's law, the heat flux established between a hot source and a cold source generates a temperature gradient in a homogeneous material that is inversely proportional to the thermal conductivity of the material. In the particular case of the thermoelectric device of the invention, where each of the first and second sheets are arranged on a portion of thermal insulating substrate (with a thermal conductivity, therefore, much lower than that of the sheets of thermoelectric material) and electrical, and where the heat flux through the sheets of thermoelectric material is parallel to the surface of the sheets, the average thermal conductivity of the system depends on the cross-sectional area of the sheet and the substrate. Since the cross-sectional area of the sheets is much smaller than the cross-sectional area of the substrate (at most one tenth of the cross-sectional area of the substrate), the steady-state temperature gradient will be governed by the thermal conductivity of the substrate.
El "área transversal” se entenderá como el área de una sección transversal perpendicular al flujo de calor establecido cuando el dispositivo está en uso, es decir, una sección transversal perpendicular a la superficie de la lámina. Así, el área transversal de material termoeléctrico y de sustrato se entenderá como el área aportado, respectivamente, por la(s) lámina(s) de material termoeléctrico y las porciones de sustrato en dicha sección transversal."Cross-sectional area" shall be understood as the area of a cross-section perpendicular to the heat flux established when the device is in use, that is, a cross-section perpendicular to the surface of the sheet. Thus, the cross-sectional area of thermoelectric material and of substrate shall be understood as the area contributed, respectively, by the sheet(s) of thermoelectric material and the substrate portions in said cross section.
Según la presente invención la primera y la segunda porción de sustrato pueden estar implementadas como porciones de un mismo sustrato, o como dos sustratos independientes.According to the present invention, the first and the second substrate portions can be implemented as portions of the same substrate, or as two independent substrates.
En el caso de dos sustratos independientes, cada uno con una única lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre él, en cada conjunto de sustrato y lámina el área transversal de la lámina es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato. El "área transversal” de la lámina y el sustrato es, respectivamente, el área de la lámina y el sustrato tomada de una sección transversal perpendicular al flujo de calor establecido cuando el dispositivo está en uso, es decir, una sección transversal perpendicular a la superficie de la lámina.In the case of two separate substrates, each with a single sheet of thermoelectric material disposed thereon, in each assembly of substrate and sheet the cross-sectional area of the sheet is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the substrate. The "cross-sectional area" of the sheet and the substrate is, respectively, the area of the sheet and the substrate taken from a cross section perpendicular to the established heat flux when the device is in use, i.e., a cross section perpendicular to the sheet surface.
En el caso de un sustrato con más de una lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre él, el área transversal correspondiente a las láminas es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato.In the case of a substrate with more than one sheet of thermoelectric material disposed thereon, the cross-sectional area of the sheets is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the substrate.
Por otro lado, y dado que el sustrato también es aislante eléctrico, dicho sustrato no afecta a las propiedades de transporte electrónico de las láminas, obteniendo así dicho desacoplamiento efectivo de los transportes térmico y eléctrico en todo el dispositivo termoeléctrico.On the other hand, and since the substrate is also an electrical insulator, said substrate does not affect the electronic transport properties of the sheets, thus obtaining said effective decoupling of thermal and electrical transport throughout the thermoelectric device.
En una realización, la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente del primer sustrato. Ventajosamente, en esta realización el flujo de calor se distribuye (en condiciones ideales) a lo largo de cada sustrato, aumentando así la diferencia de temperatura entre sus extremos. In one embodiment, the first substrate portion is implemented as a first substrate and the second substrate portion is implemented as a second substrate independent of the first substrate. Advantageously, in this embodiment the heat flux is distributed (in ideal conditions) along each substrate, thus increasing the temperature difference between its ends.
En una realización, el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría de prisma, y la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, está dispuesta sobre una cara de dicho sustrato con geometría de prisma. De manera preferida, la lámina está dispuesta sobre una cara lateral del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.In one embodiment, the first and/or second substrate has prism geometry, and the first sheet and/or second sheet, respectively, is disposed on a face of said substrate with prism geometry. Preferably, the sheet is arranged on a side face of the prismatic substrate and the first and second ends of the substrate in contact with the electrically insulating layers are the bases of the prismatic substrate.
En una realización en donde el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría de prisma y la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, está dispuesta sobre una cara de dicho sustrato con geometría de prisma, los espesores de dicho sustrato con geometría de prisma y de la lámina dispuesta sobre una cara de dicho sustrato cumplen la siguiente relación:In an embodiment where the first and/or second substrate has prism geometry and the first sheet and/or second sheet, respectively, is disposed on one face of said prism geometry substrate, the thicknesses of said prism geometry substrate of prism and of the sheet arranged on one face of said substrate meet the following relationship:
a k to what
d K s u bd K s u b
siendo Ksub la conductividad térmica de dicho sustrato con geometría de prisma, a el where Ksub is the thermal conductivity of said substrate with prism geometry, to which
espesor de dicho sustrato, K la conductividad térmica de la lámina dispuesta sobre dicho thickness of said substrate, K the thermal conductivity of the sheet arranged on said
sustrato y d el espesor de dicha lámina.substrate and d the thickness of said sheet.
De acuerdo a esta realización, las características térmicas y geométricas del dispositivo termoeléctrico se optimizan de tal manera que se incrementa la diferencia de potencial y potencia de salida que se obtienen, con una mínima reducción de la corriente eléctrica de cortocircuito que fluye a través de la lámina de material termoeléctrico causada por el incremento de la resistencia eléctrica debido al reducido espesor de las mismas.According to this embodiment, the thermal and geometric characteristics of the thermoelectric device are optimized in such a way that the potential difference and output power that are obtained are increased, with a minimum reduction of the short-circuit electric current that flows through the sheet of thermoelectric material caused by the increase in electrical resistance due to their reduced thickness.
Adicionalmente, los parámetros de optimización de esta realización particular proporcionan una mayor comodidad desde un punto de vista de selección de materiales y fabricación, al tratarse de una optimización en base a espesores de materiales, y no a la selección/modificación de propiedades térmicas de los mismos.Additionally, the optimization parameters of this particular embodiment provide greater comfort from a material selection and manufacturing point of view, as it is an optimization based on material thicknesses, and not on the selection/modification of thermal properties of the materials. themselves.
En una realización, el sustrato con geometría de prisma tiene geometría de prisma recto, y la lámina dispuesta sobre una cara de dicho sustrato tiene geometría rectangular.In one embodiment, the prism geometry substrate has right prism geometry, and the sheet disposed on one face of said substrate has rectangular geometry.
En una realización el sustrato con geometría de prisma tiene geometría de prisma rectangular. In one embodiment the prism geometry substrate has rectangular prism geometry.
En una realización, el contorno de la lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta.In one embodiment, the contour of the sheet coincides with the contour of the face of the substrate on which it is disposed.
En una realización el sustrato con geometría de prisma tiene un número de caras mayor o igual que 6, es decir, el sustrato tiene 2 bases y un número de caras laterales mayor o igual que 4.In one embodiment, the substrate with a prism geometry has a number of faces greater than or equal to 6, that is, the substrate has 2 bases and a number of lateral faces greater than or equal to 4.
En una realización, el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría cilíndrica; la primera lámina y/o la segunda lámina, respectivamente, tiene geometría curva; y dicha primera y/o segunda lámina con geometría curva está dispuesta sobre dicho primer y/o segundo sustrato de geometría cilíndrica a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior.In one embodiment, the first and/or second substrate has a cylindrical geometry; the first sheet and/or the second sheet, respectively, has curved geometry; and said first and/or second sheet with curved geometry is arranged on said first and/or second substrate with cylindrical geometry along a certain arc of its outer surface.
En una realización en la que el primer y/o el segundo sustrato tiene geometría cilíndrica, la primera y/o la segunda lámina tienen geometría curva, y la lámina de geometría curva está dispuesta sobre el sustrato con geometría cilíndrica a lo largo de un arco de sustancialmente 360°, se cumple la siguiente relación:In an embodiment where the first and/or second substrate has cylindrical geometry, the first and/or second sheet has curved geometry, and the curved geometry sheet is disposed on the substrate with cylindrical geometry along an arc. of substantially 360°, the following relationship holds:
donde Ksub es la conductividad térmica de dicho sustrato de geometría cilíndrica, K es where Ksub is the thermal conductivity of said substrate of cylindrical geometry, K is
la conductividad térmica de la lámina dispuesta sobre dicho sustrato, Rsub es el radio the thermal conductivity of the sheet arranged on said substrate, Rsub is the radius
de dicho sustrato, y RT es el radio total del conjunto cilíndrico formado por dicho sustrato y dicha lámina.of said substrate, and RT is the total radius of the cylindrical assembly formed by said substrate and said sheet.
Ventajosamente, dicha relación optimiza la potencia del dispositivo, de tal manera que se incrementa la diferencia de potencial con una limitada reducción de la corriente eléctrica de cortocircuito que fluye a través de las láminas de material termoeléctrico causada por el incremento de la resistencia eléctrica debido a la reducida sección transversal de las mismas. En óptimas condiciones, ello permite una potencia de salida similar al caso equivalente de dispositivo en volumen con un ahorro sustancia de material termoeléctrico superior al 90% del dispositivo equivalente en volumen de igual dimensiones que el sustrato. Advantageously, said relationship optimizes the power of the device, in such a way that the potential difference is increased with a limited reduction of the short-circuit electric current that flows through the sheets of thermoelectric material caused by the increase of the electrical resistance due to their small cross section. Under optimal conditions, this allows an output power similar to the equivalent case of a device in volume with a substantial saving of thermoelectric material greater than 90% of the equivalent device in volume of the same dimensions as the substrate.
En realizaciones en las que la primera lámina y la segunda lámina están dispuestas, respectivamente, sobre un primer sustrato y un segundo sustrato, independientes entre sí, las geometrías del primer y el segundo sustrato pueden ser iguales o pueden ser diferentes entre sí. Por ejemplo, los dos sustratos pueden tener una geometría cilíndrica, los dos pueden tener una geometría de prisma o el primer sustrato puede tener una geometría cilíndrica y el segundo sustrato una geometría de prisma.In embodiments in which the first sheet and the second sheet are disposed, respectively, on a first substrate and a second substrate, independent of each other, the geometries of the first and second substrates may be the same or may be different from each other. For example, the two substrates can have a cylindrical geometry, both can have a prism geometry, or the first substrate can have a cylindrical geometry and the second substrate a prism geometry.
En una realización, la primera porción de sustrato y la segunda porción de sustrato están implementadas como porciones de un mismo sustrato. En esta realización la primera y la segunda lámina comparten un mismo sustrato y un mismo gradiente de temperatura, dominado por el sustrato al presentar una menor conductividad térmica y mayor área transversal que los materiales termoeléctricos que forman la primera y la segunda láminaIn one embodiment, the first substrate portion and the second substrate portion are implemented as portions of the same substrate. In this embodiment, the first and second sheets share the same substrate and the same temperature gradient, dominated by the substrate presenting a lower thermal conductivity and greater cross-sectional area than the thermoelectric materials that make up the first and second sheets.
En una realización, el sustrato tiene geometría de prisma, y la primera y segunda lámina están dispuestas cada una sobre una cara diferente de dicho sustrato con geometría de prisma. Ventajosamente, esta realización permite aprovechar varias caras del sustrato para la disposición de láminas de material termoeléctrico. De manera preferida, la primera y segunda lámina están dispuestas sobre caras laterales del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.In one embodiment, the substrate has a prism geometry, and the first and second sheets are each disposed on a different face of said substrate with a prism geometry. Advantageously, this embodiment makes it possible to take advantage of several faces of the substrate for the arrangement of sheets of thermoelectric material. Preferably, the first and second sheets are arranged on side faces of the prismatic-geometry substrate and the first and second ends of the substrate in contact with the electrically insulating layers are the bases of the prismatic-geometry substrate.
En una realización, el sustrato tiene geometría de prisma recto, y al menos una de entre la primera y la segunda lámina tiene geometría rectangular. De manera preferida, la primera y la segunda lámina tienen geometría rectangular.In one embodiment, the substrate has a right prism geometry, and at least one of the first and second sheets has a rectangular geometry. Preferably, the first and second sheets have rectangular geometry.
En una realización el sustrato tiene geometría de prisma rectangular.In one embodiment the substrate has a rectangular prism geometry.
En una realización, el dispositivo comprende una tercera lámina de material termoeléctrico de tipo n o de tipo p, y una cuarta lámina de material termoeléctrico del tipo opuesto al de la tercera lámina, en donde la primera y la segunda lámina están dispuestas sobre un par de caras contiguas del sustrato, y en donde la tercera y la cuarta lámina están dispuestas sobre otro par de caras contiguas del sustrato. Las láminas están dispuestas sobre el sustrato sin que exista contacto físico directo entre ellas. Ventajosamente, esta realización permite aprovechar más caras del sustrato para la disposición de láminas de material termoeléctrico. De manera preferida, la tercera y cuarta lámina están dispuestas sobre caras laterales del sustrato con geometría de prisma y el primer y el segundo extremo del sustrato en contacto con las capas aislantes eléctricamente son las bases del sustrato con geometría de prisma.In one embodiment, the device comprises a third sheet of non-p-type thermoelectric material, and a fourth sheet of thermoelectric material of the opposite type to that of the third sheet, wherein the first and second sheets are disposed on a pair of adjacent faces of the substrate, and wherein the third and fourth sheets are arranged on another pair of adjacent faces of the substrate. The sheets are arranged on the substrate without direct physical contact between them. Advantageously, this embodiment makes it possible to use more faces of the substrate for the arrangement of sheets of thermoelectric material. Preferably, the third and fourth sheets are arranged on side faces of the prismatic substrate and the first and second ends of the substrate in contact with the electrically insulating layers are the bases of the prismatic substrate.
En una realización el sustrato tiene un número de caras mayor o igual que 6, es decir, el sustrato tiene 2 bases y un número de caras laterales mayor o igual que 4. La utilización de geometrías con más caras para el sustrato permite la deposición de un mayor número de láminas sobre un único sustrato. La conexión en serie y en paralelo de los diferentes pares termoeléctricos del dispositivo permite variar el voltaje final y/o la intensidad de corriente final.In one embodiment, the substrate has a number of faces greater than or equal to 6, that is, the substrate has 2 bases and a number of lateral faces greater than or equal to 4. The use of geometries with more faces for the substrate allows the deposition of a greater number of sheets on a single substrate. The connection in series and in parallel of the different thermoelectric couples of the device allows to vary the final voltage and/or the final current intensity.
En una realización, el contorno de al menos una lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta. De manera preferida, el contorno de cada lámina coincide con el contorno de la cara del sustrato sobre el que está dispuesta.In one embodiment, the contour of at least one sheet coincides with the contour of the face of the substrate on which it is arranged. Preferably, the contour of each sheet coincides with the contour of the face of the substrate on which it is arranged.
En una realización, el sustrato tiene geometría cilíndrica; la primera y la segunda lámina tienen geometría curva; y dichas primera y segunda láminas están dispuestas sobre el sustrato a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior.In one embodiment, the substrate has a cylindrical geometry; the first and second sheets have curved geometry; and said first and second sheets are arranged on the substrate along a certain arc of its outer surface.
En una realización, cada una de las primera y segunda láminas de material termoeléctrico cubre un arco próximo inferiormente a 180°.In one embodiment, each of the first and second sheets of thermoelectric material cover an arc close to less than 180°.
En una realización el dispositivo comprende una tercera lámina de material termoeléctrico de tipo n o de tipo p, y una cuarta lámina de material termoeléctrico del tipo opuesto al de la tercera lámina, estando la tercera lámina y la cuarta lámina dispuestas sobre el sustrato cilíndrico a lo largo de un determinado arco de su superficie exterior. Las láminas están dispuestas sobre el sustrato cilíndrico sin que exista contacto físico directo entre ellas.In one embodiment the device comprises a third sheet of n-type or p-type thermoelectric material, and a fourth sheet of thermoelectric material of the opposite type to that of the third sheet, the third sheet and the fourth sheet being disposed on the cylindrical substrate along along a given arc of its outer surface. The sheets are arranged on the cylindrical substrate without direct physical contact between them.
En una realización, al menos un sustrato comprende vidrio, cuarzo o cerámica.In one embodiment, at least one substrate comprises glass, quartz, or ceramic.
En una realización en la que existen al menos un primer y un segundo sustrato, cada sustrato comprende un material diferente. Ventajosamente, esta realización permite escoger el material del sustrato en función del tipo de material termoeléctrico de la lámina o las láminas dispuestas sobre el mismo, lo cual permite optimizar la eficiencia del dispositivo termoeléctrico.In an embodiment where there are at least a first and a second substrate, each substrate comprises a different material. Advantageously, this embodiment makes it possible to choose the material of the substrate depending on the type of thermoelectric material of the sheet or sheets arranged thereon, which makes it possible to optimize the efficiency of the thermoelectric device.
En una realización al menos un sustrato está configurado como una carcasa sólida hueca rellena de un gas. En esta realización el área transversal de sustrato es la suma de las áreas transversales ocupadas por cada uno de los elementos que conforman el sustrato. Ventajosamente, en esta realización la conductividad térmica del sustrato es menor que en el caso de un sustrato de material macizo y permite aumentar el gradiente térmico entre el primer y el segundo extremo del sustrato para un mismo flujo de calor constante. En una realización el gas que forma parte del sustrato es aire o un gas inerte, tal como el N2.In one embodiment at least one substrate is configured as a gas-filled hollow solid shell. In this embodiment, the cross-sectional area of the substrate is the sum of the cross-sectional areas occupied by each of the elements that make up the substrate. Advantageously, in this embodiment the thermal conductivity of the substrate is lower than in the case of a solid material substrate and makes it possible to increase the thermal gradient between the first and second ends of the substrate for the same constant heat flux. In one embodiment, the gas that forms part of the substrate is air or an inert gas, such as N2.
En una realización, al menos una lámina de material termoeléctrico comprende al menos uno de entre los siguientes materiales: pirita (FeS2), un tricalcogenuro (como TiS3 o ZrS3), un metal, un semimetal, una aleación metálica como Ni-Cr o Ni-Cu, fósforo negro, o SnSe.In one embodiment, at least one sheet of thermoelectric material comprises at least one of the following materials: pyrite (FeS2), a trichalcogenide (such as TiS3 or ZrS3), a metal, a semimetal, a metal alloy such as Ni-Cr or Ni -Cu, black phosphorus, or SnSe.
Tradicionalmente, la selección del tipo de material termoeléctrico, especialmente en contexto de generación de electricidad, obedece a un criterio de optimización mediante solución de compromiso entre sus propiedades relativas a la conducción térmica y eléctrica.Traditionally, the selection of the type of thermoelectric material, especially in the context of electricity generation, obeys an optimization criterion through a compromise solution between its properties related to thermal and electrical conduction.
Más concretamente, este hecho se pone de manifiesto a través de la expresión de la S2o _More specifically, this fact is revealed through the expression of S2o _
Figura de mérito Z T = -----T, donde S es el coeficiente Seebeck, a la conductividad K Figure of merit ZT = ----- T, where S is the Seebeck coefficient, to the conductivity K
eléctrica, y k la conductividad térmica, y donde el producto S 2o se conoce como factor de potencia. Es decir, en dicho contexto de generación eléctrica, la potencia útil variará en el mismo sentido que lo haga dicho factor de potencia.electrical, and k the thermal conductivity, and where the product S 2o is known as the power factor. In other words, in said electricity generation context, the useful power will vary in the same direction as said power factor.
Debido a la relación inversa entre el factor de potencia (conductividad eléctrica) y la conductividad térmica del material termoeléctrico en la Figura de mérito (ZT), tal y como se exponía anteriormente en los Antecedentes de la invención, diversos desarrollos se dirigen a incrementar la eficiencia y rendimiento de los dispositivos termoeléctricos mediante la búsqueda de la disminución de la conductividad térmica del material termoeléctrico, tratando de perjudicar en la menor medida posible a las prestaciones eléctricas del mismo.Due to the inverse relationship between the power factor (electrical conductivity) and the thermal conductivity of the thermoelectric material in the Figure of Merit (ZT), as previously stated in the Background of the invention, various developments are aimed at increasing the efficiency and performance of thermoelectric devices by seeking to decrease the thermal conductivity of the material thermoelectric, trying to harm as little as possible its electrical performance.
Por ello, dichos desarrollos del estado de la técnica utilizan un criterio de selección de material termoeléctrico en el que un material posea simultáneamente una alta conductividad eléctrica y una baja conductividad térmica, característica de los materiales aislantes.For this reason, said developments of the state of the art use a thermoelectric material selection criterion in which a material simultaneously possesses high electrical conductivity and low thermal conductivity, characteristic of insulating materials.
Debido a este hecho, los materiales con un elevado factor de potencia no han podido ser empleados tradicionalmente debido a que las elevadas conductividades térmicas impedían el establecimiento de una diferencia de temperatura adecuada entre ambos extremos.Due to this fact, materials with a high power factor have not traditionally been able to be used because the high thermal conductivities prevented the establishment of an adequate temperature difference between both extremes.
Ventajosamente, gracias a las propiedades y disposición de elementos que permiten el desacoplamiento efectivo de los fenómenos térmico y eléctrico en el dispositivo de la invención, es decir, de las capas aislantes eléctricamente, así como del sustrato aislante térmicamente, se permite que las láminas de material termoeléctrico de la invención puedan emplear dichos materiales, sacando ventaja del elevado factor de potencia con independencia del valor de la conductividad térmica de estos materiales.Advantageously, thanks to the properties and disposition of elements that allow the effective decoupling of the thermal and electrical phenomena in the device of the invention, that is, of the electrically insulating layers, as well as of the thermally insulating substrate, the sheets of thermoelectric material of the invention can use said materials, taking advantage of the high power factor regardless of the value of the thermal conductivity of these materials.
En particular, ejemplos de materiales con elevado factor de potencia que pueden emplearse para las láminas de material termoeléctrico del dispositivo de la invención incluyen los semimetales, como el elemento antimonio o compuestos como el CoS2, o aleaciones metálicas tipo Ni-Cr o Ni-Cu.In particular, examples of materials with a high power factor that can be used for the sheets of thermoelectric material of the device of the invention include semi-metals, such as the element antimony or compounds such as CoS2, or metal alloys of the Ni-Cr or Ni-Cu type. .
Ventajosamente, se proporciona una mayor versatilidad de configuraciones y posibilidades de fabricación al poder combinar estos materiales con los materiales clásicos conocidos en el estado de la técnica en un mismo dispositivo. Ejemplos de estos materiales clásicos incluyen, entre otros: Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe o SiGe.Advantageously, a greater versatility of configurations and manufacturing possibilities is provided by being able to combine these materials with the classical materials known in the state of the art in the same device. Examples of these classical materials include, among others: Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe or SiGe.
En particular, la utilización de metales permite un adelgazamiento mayor de la lámina, lo cual permite a su vez la miniaturización de dispositivos y utilización de técnicas de depósito de láminas. Por otra parte, semimetales y aleaciones como Ni-Cr y Ni-Cu permiten espesores mayores de la lámina (esto es, mayores secciones transversales en comparación con la sección transversal del sustrato) y, por tanto, diferentes métodos de fabricación mediante la adhesión de dicha lámina sobre el sustrato. Otros semimetales como C0S2 o aleaciones CoFe ofrecen buenos valores del factor de potencia.In particular, the use of metals allows a greater thinning of the sheet, which in turn allows the miniaturization of devices and the use of sheet deposition techniques. On the other hand, semi-metals and alloys such as Ni-Cr and Ni-Cu allow larger thicknesses of the sheet (i.e. larger cross sections compared to the cross section of the substrate) and therefore different methods of manufacturing by adhering said sheet on the substrate. Other semi-metals such as C0S2 or CoFe alloys offer good power factor values.
En una realización, cada lámina de un dispositivo termoeléctrico comprende un material diferente.In one embodiment, each sheet of a thermoelectric device comprises a different material.
En una realización, el dispositivo comprende al menos un soporte en contacto con una de las capas aislantes eléctricamente. Preferentemente el dispositivo comprende dos soportes, estando cada soporte en contacto con una de las capas aislantes.In one embodiment, the device comprises at least one support in contact with one of the electrically insulating layers. Preferably the device comprises two supports, each support being in contact with one of the insulating layers.
En una realización, al menos un soporte comprende una superficie esencialmente plana.In one embodiment, at least one support comprises an essentially flat surface.
En un segundo aspecto inventivo se define un generador termoeléctrico que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos de acuerdo con cualquier realización del primer aspecto inventivo.In a second inventive aspect a thermoelectric generator is defined comprising a plurality of thermoelectric devices according to any embodiment of the first inventive aspect.
En una realización, al menos un subconjunto de la pluralidad de dispositivos termoeléctricos está distribuido formando una fila de dispositivos conectados en serie.In one embodiment, at least a subset of the plurality of thermoelectric devices is distributed as a row of series-connected devices.
En una realización, el generador termoeléctrico comprende varias filas de dispositivos termoeléctricos conectados eléctricamente en serie, en donde dichas filas están conectadas eléctricamente entre sí en paralelo.In one embodiment, the thermoelectric generator comprises several rows of thermoelectric devices electrically connected in series, wherein said rows are electrically connected to each other in parallel.
En una realización, las filas de dispositivos son sustancialmente paralelas.In one embodiment, the rows of devices are substantially parallel.
En una realización, al menos un subconjunto de la pluralidad de los dispositivos termoeléctricos está distribuidos según una geometría anular.In one embodiment, at least a subset of the plurality of thermoelectric devices is arranged according to an annular geometry.
Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes. All features and/or method steps described herein (including the claims, description, and drawings) may be combined in any combination, except for mutually exclusive combinations of such features.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.These and other features and advantages of the invention will become clearer from the following detailed description of a preferred embodiment, given solely by way of illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying figures. .
Figuras 1a-1c En estas figuras se muestran una vista en alzado, otra de perfil y una sección transversal de una realización de una parte de un dispositivo termoeléctrico según la invención, en particular una lámina de material termoeléctrico dispuesta sobre una porción de un sustrato aislante térmico y eléctrico.Figures 1a-1c These figures show an elevation view, a profile view and a cross section of an embodiment of a part of a thermoelectric device according to the invention, in particular a sheet of thermoelectric material arranged on a portion of an insulating substrate thermal and electrical.
Figura 2 En esta figura se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico dispuestas sobre sendos sustratos aislantes térmicos y eléctricos, según la invención.Figure 2 This figure shows an embodiment of a thermoelectric device that comprises two sheets of thermoelectric material arranged on separate thermal and electrical insulating substrates, according to the invention.
Figuras 3a-3b En estas figuras se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría curva dispuestas sobre sendos sustratos aislantes térmicos y eléctricos con geometría cilíndrica, según la invención, y una sección transversal esquemática.Figures 3a-3b These figures show an embodiment of a thermoelectric device comprising two sheets of thermoelectric material with curved geometry arranged on separate thermal and electrical insulating substrates with cylindrical geometry, according to the invention, and a schematic cross section.
Figuras 4a-4b En estas figuras se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría curva dispuestas sobre un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría cilíndrica, según la invención, y una sección transversal esquemática.Figures 4a-4b These figures show an embodiment of a thermoelectric device comprising two sheets of thermoelectric material with curved geometry arranged on a thermal and electrical insulating substrate with cylindrical geometry, according to the invention, and a schematic cross section.
Figuras 5a-5e En estas figuras se muestran vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo a diferentes alturas de una realización del dispositivo termoeléctrico que comprende dos láminas de material termoeléctrico con geometría rectangular dispuestas sobre caras opuestas de un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría prismática, según la invención, así como una sección transversal esquemática. Figures 5a-5e These figures show views in perspective, in profile, and separate views of sections of the device at different heights of an embodiment of the thermoelectric device that comprises two sheets of thermoelectric material with rectangular geometry arranged on opposite faces of an insulating substrate thermal and electrical with prismatic geometry, according to the invention, as well as a schematic cross section.
Figura 6a-6e En estas figuras se muestran vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo a diferentes alturas de una realización de un dispositivo termoeléctrico que comprende dos pares de láminas de material termoeléctrico con geometría rectangular dispuestas dos a dos sobre caras contiguas de un sustrato aislante térmico y eléctrico con geometría prismática, según la invención, así como una sección transversal esquemática.Figure 6a-6e These figures show views in perspective, in profile, and separate views of sections of the device at different heights of an embodiment of a thermoelectric device that comprises two pairs of sheets of thermoelectric material with rectangular geometry arranged two by two on top of each other. adjacent faces of a thermal and electrical insulating substrate with prismatic geometry, according to the invention, as well as a schematic cross section.
Figura 7 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos formando una fila.Figure 7 This figure shows a thermoelectric generator according to an embodiment of the invention, comprising a plurality of thermoelectric devices distributed forming a row.
Figura 8 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos según una configuración anular.Figure 8 This figure shows a thermoelectric generator according to an embodiment of the invention, comprising a plurality of thermoelectric devices arranged according to an annular configuration.
Figura 9 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos formando varias filas conectadas eléctricamente en paralelo.Figure 9 This figure shows a thermoelectric generator according to an embodiment of the invention, comprising a plurality of thermoelectric devices distributed forming several rows electrically connected in parallel.
Figura 10 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos en filas y columnas.Figure 10 This figure shows a thermoelectric generator according to an embodiment of the invention, comprising a plurality of thermoelectric devices arranged in rows and columns.
Figura 11 En esta figura se muestra un generador termoeléctrico según una realización de la invención, que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos distribuidos en filas y columnas.Figure 11 This figure shows a thermoelectric generator according to an embodiment of the invention, comprising a plurality of thermoelectric devices arranged in rows and columns.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DISCLOSURE OF THE INVENTION
Las figuras 1a y 1b muestran una vista en alzado y otra de perfil de una parte de un dispositivo termoeléctrico (10) según una realización de la invención. En particular, por propósitos ilustrativos se muestra un elemento básico que comprende una lámina (16) de material termoeléctrico dispuesta sobre una porción de un sustrato aislante térmico y eléctrico. Más en particular, en esta realización dicha porción de sustrato se implementa como un sustrato (15) con geometría de prisma rectangular, y las figuras 1a y 1b sirven para describir de qué manera, según la invención, se relaciona cada lámina (16) de material termoeléctrico con la porción de sustrato sobre la que está dispuesta. De la misma manera, y en virtud de dicha relación e integración entre elementos, se describe qué efectos beneficiosos se obtienen, y que se pueden trasladar hasta una configuración completa de dispositivo termoeléctrico (10), en donde se comunican distintas láminas (16) de diferentes tipos de material termoeléctrico para generar electricidad.Figures 1a and 1b show an elevation and a profile view of a part of a thermoelectric device (10) according to an embodiment of the invention. In particular, for For illustrative purposes, a basic element is shown that comprises a sheet (16) of thermoelectric material arranged on a portion of a thermal and electrical insulating substrate. More particularly, in this embodiment said substrate portion is implemented as a substrate (15) with rectangular prism geometry, and figures 1a and 1b serve to describe how, according to the invention, each sheet (16) of thermoelectric material with the portion of the substrate on which it is disposed. In the same way, and by virtue of said relationship and integration between elements, it is described what beneficial effects are obtained, and that can be transferred to a complete configuration of thermoelectric device (10), where different sheets (16) of different types of thermoelectric material to generate electricity.
En particular, se observa que, en esta realización, el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado comprende, en sus posiciones más extremas, dos soportes (11, 12), separados una cierta distancia, configurados para conducir calor y en contacto, cada uno, con una capa (13, 14) aislante eléctricamente.In particular, it is noted that, in this embodiment, the thermoelectric device (10) shown comprises, in its most extreme positions, two supports (11, 12), separated by a certain distance, configured to conduct heat and in contact, each one, with an electrically insulating layer (13, 14).
Dichas capas (13, 14) aislantes eléctricamente están configuradas para intercambiar calor con un foco térmico, y tal y como se puede apreciar en las figuras, están dispuestas respectivamente sobre las superficies internas, es decir, enfrentadas entre sí, de los soportes (11, 12). Dichas capas (13, 14) de la realización mostrada en las figuras 1a y 1b están compuestas por un material aislante eléctricamente y en una realización tienen un espesor del orden de micrómetros (> 1^m), es decir, su espesor es mucho menor que una longitud característica del resto de elementos que conforman el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado.Said electrically insulating layers (13, 14) are configured to exchange heat with a thermal source, and as can be seen in the figures, they are arranged respectively on the internal surfaces, that is, facing each other, of the supports (11 , 12). Said layers (13, 14) of the embodiment shown in figures 1a and 1b are composed of an electrically insulating material and in one embodiment they have a thickness of the order of micrometers (> 1^m), that is, their thickness is much less. than a characteristic length of the rest of the elements that make up the thermoelectric device (10) shown.
Aunque en otras realizaciones no es necesaria la presencia de dichos soportes (11, 12) para comunicar energía calorífica al material termoeléctrico del dispositivo (10), en el ejemplo mostrado dichos soportes (11, 12) actúan como fuentes térmicas, introduciendo y evacuando calor desde los puntos más extremos del dispositivo (10) en contacto con las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Más en particular, en la realización mostrada el soporte (11) mostrado en la zona superior actúa como fuente de calor, o foco caliente, y el soporte (12) mostrado en la zona inferior actúa como sumidero de calor, disipador, o foco frío. Although in other embodiments the presence of said supports (11, 12) is not necessary to communicate heat energy to the thermoelectric material of the device (10), in the example shown said supports (11, 12) act as thermal sources, introducing and discharging heat from the most extreme points of the device (10) in contact with the electrically insulating layers (13, 14). More particularly, in the embodiment shown, the support (11) shown in the upper area acts as a heat source, or hot source, and the support (12) shown in the lower area acts as a heat sink, sink, or cold source. .
Dispuesto entre ambos soportes (11, 12) y en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente se dispone el elemento de material termoeléctrico, en particular una lámina (16) de un material termoeléctrico tipo-n o tipop. En particular, dicha lámina (16) comprende un primer extremo (16.1) conectado a la capa (13) superior, y un segundo extremo (16.2) conectado a la capa (14) inferior.Arranged between both supports (11, 12) and in thermal communication with them through the electrically insulating layers (13, 14) is the element made of thermoelectric material, in particular a sheet (16) of an n-type or thermoelectric material. typep. In particular, said sheet (16) comprises a first end (16.1) connected to the upper layer (13), and a second end (16.2) connected to the lower layer (14).
La lámina (16) está dispuesta, a su vez, sobre el sustrato (15) aislante térmico y eléctrico que también se ubica entre los dos soportes (11, 12), en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. En particular, dicho sustrato (15) comprende un primer extremo (15.1) conectado a la capa (13) superior, y un segundo extremo (15.2) conectado a la capa (14) inferior.The sheet (16) is arranged, in turn, on the thermal and electrical insulating substrate (15), which is also located between the two supports (11, 12), in thermal communication with them through the layers (13, 14 ) electrically insulating. In particular, said substrate (15) comprises a first end (15.1) connected to the upper layer (13), and a second end (15.2) connected to the lower layer (14).
En cuanto a la configuración geométrica y las relaciones dimensionales entre la lámina (16) de material termoeléctrico y el sustrato (15), se observa en las figuras 1a y 1b que en esta realización dicho sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, mientras que la lámina (16) tiene geometría rectangular y está dispuesta sobre el sustrato (15) cubriendo completamente una cara del mismo, es decir, los contornos de dicha lámina (16) y de la cara del sustrato (15) sobre la que se dispone coinciden.Regarding the geometric configuration and the dimensional relationships between the sheet (16) of thermoelectric material and the substrate (15), it can be seen in figures 1a and 1b that in this embodiment said substrate (15) has a rectangular prism geometry, while that the sheet (16) has a rectangular geometry and is arranged on the substrate (15) completely covering one face thereof, that is, the contours of said sheet (16) and of the face of the substrate (15) on which it is placed match.
En virtud de la configuración mostrada se consiguen dos efectos ventajosos sinérgicos. Por un lado, el flujo de calor se transmite, entre ambos soportes (11, 12) paralelamente a un plano de la interfaz de acoplamiento entre la lámina (16) y el sustrato (15). Por otro lado, se consigue el desacoplamiento de los efectos eléctricos y térmicos.By virtue of the configuration shown, two synergistic advantageous effects are achieved. On the one hand, the heat flux is transmitted between both supports (11, 12) parallel to a plane of the coupling interface between the sheet (16) and the substrate (15). On the other hand, the decoupling of electrical and thermal effects is achieved.
Para el desacoplamiento de fenómenos eléctricos, la acción conjunta del sustrato (15), aislante eléctricamente, a lo largo de la cara de la lámina (16) con la que está en contacto, y de ambas capas (13, 14), que permiten la conducción térmica de la lámina (16) con los soportes (11, 12) pero impiden la conducción eléctrica a través de sus respectivos extremos (16.1, 16.2), permite confinar eléctricamente la lámina (16), de tal manera que se garantiza que la potencia termoeléctrica generada procede exclusivamente de la lámina (16) de material termoeléctrico.For the decoupling of electrical phenomena, the joint action of the substrate (15), electrically insulating, along the face of the sheet (16) with which it is in contact, and of both layers (13, 14), which allow thermal conduction of the sheet (16) with the supports (11, 12) but prevent electrical conduction through their respective ends (16.1, 16.2), allows the sheet (16) to be electrically confined, in such a way that it is guaranteed that The thermoelectric power generated comes exclusively from the sheet (16) of thermoelectric material.
Por lo que respecta al desacoplamiento de fenómenos térmicos entre la lámina (16) y el sustrato (15), se consigue gracias a la relación entre las áreas transversales de ambos elementos. En particular, en condiciones térmicas estacionarias entre el foco caliente, es decir, el soporte (11) superior y el foco frío o disipador, es decir, el soporte (12) inferior, la diferencia de temperatura que se establece entre los dos extremos viene determinada por la resistencia térmica total del conjunto lámina (16) más sustrato (15).Regarding the decoupling of thermal phenomena between the sheet (16) and the substrate (15), it is achieved thanks to the relationship between the cross-sectional areas of both elements. In particular, in stationary thermal conditions between the hot source, that is, the upper support (11) and the cold source or dissipator, that is, the lower support (12), the temperature difference established between the two ends is determined by the total thermal resistance of the sheet assembly (16). more substrate (15).
Dicha resistencia térmica total se establece por la relación entre las áreas transversales de ambos elementos, es decir, de la lámina (16) y del sustrato (15). En la figura 1c se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de lámina (16) y sustrato (15), donde se ha identificado el área transversal (A) de la lámina (16) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 1c el área transversal (Asub) de sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de la lámina se ha representado sin trama. Debido precisamente a la diferencia de áreas transversales entre la lámina (16) y el sustrato (15), la diferencia de temperatura que se establece queda gobernada por el sustrato (15), y no así por la lámina (16) de material termoeléctrico, la cual, en virtud de la naturaleza de los materiales termoeléctricos presenta una conductividad térmica mayor que la del sustrato (15) y que por ella sola reduciría, por tanto, la diferencia de temperatura en los extremos fríos y caliente, en perjuicio del rendimiento termoeléctrico del dispositivo (10). Es decir, como el área transversal de la lámina (16) es mucho menor, en particular, menor o igual a la décima parte del área transversal del sustrato (15), el gradiente estacionario de temperatura está gobernado por la conductividad térmica del sustrato (15).Said total thermal resistance is established by the ratio between the cross-sectional areas of both elements, that is, of the sheet (16) and of the substrate (15). Figure 1c schematically represents a cross section of the sheet (16) and substrate (15) assembly, where the cross-sectional area (A) of the sheet (16) and the cross-sectional area (Asub) of the substrate (15) have been identified. ). In figure 1c the cross-sectional area (Asub) of the substrate has been represented with a checkered pattern and the cross-sectional area (A) of the sheet has been represented without a screen. Due precisely to the difference in cross-sectional areas between the sheet (16) and the substrate (15), the temperature difference that is established is governed by the substrate (15), and not by the sheet (16) of thermoelectric material, which, by virtue of the nature of thermoelectric materials, presents a higher thermal conductivity than that of the substrate (15) and which alone would reduce, therefore, the difference in temperature at the hot and cold ends, to the detriment of thermoelectric performance. of the device (10). That is, since the cross-sectional area of the sheet (16) is much smaller, in particular, less than or equal to one tenth of the cross-sectional area of the substrate (15), the stationary temperature gradient is governed by the thermal conductivity of the substrate ( fifteen).
Más en particular, en esta realización de geometría plana, con sustrato prismático, este desacoplamiento del gradiente térmico se maximiza cuando los espesores de la lámina (16) y el sustrato (15) cumplen la siguiente relación:More particularly, in this embodiment of flat geometry, with a prismatic substrate, this uncoupling of the thermal gradient is maximized when the thicknesses of the sheet (16) and the substrate (15) meet the following relationship:
a k to what
d KSubdKSub
siendo K la conductividad térmica de la lámina (16) de material termoeléctrico, Ksub la where K is the thermal conductivity of the sheet (16) of thermoelectric material, Ksub is the
conductividad térmica del sustrato (15), a el espesor del sustrato (15) y d el espesor la lámina (16) de material termoeléctrico.thermal conductivity of the substrate (15), a the thickness of the substrate (15) and d the thickness of the sheet (16) of thermoelectric material.
Por tanto, el ejemplo de realización mostrado en las figuras 1a y 1b de un elemento que forma parte de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención consigue desacoplar de forma efectiva y eficiente los fenómenos de transporte térmico, quedando el gradiente térmico a cargo del sustrato (15) y quedando el transporte electrónico a cargo de la lámina (16) de material termoeléctrico. Así, el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado consigue un mayor rendimiento a la vez que se reduce la cantidad de material termoeléctrico utilizado.Therefore, the exemplary embodiment shown in figures 1a and 1b of an element that forms part of a thermoelectric device (10) according to the invention manages to effectively and efficiently decouple the phenomena of thermal transport, leaving the thermal gradient in charge of the substrate (15) and leaving the electronic transport to charge of the sheet (16) of thermoelectric material. Thus, the thermoelectric device (10) shown achieves a higher performance while reducing the amount of thermoelectric material used.
El ejemplo de realización mostrado en las figuras 1a y 1b comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la lámina (16) de material termoeléctrico, cada contacto eléctrico (17, 18) dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha lámina (16), respectivamente. Dichos contactos (17, 18) permitirán la conexión, uno a uno, entre una pluralidad de dispositivos (10) en los que se alterne la naturaleza del material termoeléctrico (tipo-n o tipo-p) empleado para la lámina (16), permitiendo el desarrollo de generadores termoeléctricos escalables en función del número de dispositivos (10) conectados.The exemplary embodiment shown in figures 1a and 1b comprises two electrical contacts (17, 18) arranged on the sheet (16) of thermoelectric material, each electrical contact (17, 18) arranged close to one end (16.1, 16.2) of said sheet (16), respectively. Said contacts (17, 18) will allow the connection, one by one, between a plurality of devices (10) in which the nature of the thermoelectric material (type-n or type-p) used for the sheet (16) is alternated, allowing the development of scalable thermoelectric generators based on the number of devices (10) connected.
La Figura 2 muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención donde se muestran dos elementos como el de las figuras 1a y 1b conectados, dando forma así a un ejemplo completo de dispositivo (10) que comprende una primera lámina (16) dispuesta sobre una primera porción de sustrato y una segunda lámina (160) dispuesta sobre una segunda porción de sustrato. En particular, la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente y separado del primer sustrato.Figure 2 shows an example of embodiment of a thermoelectric device (10) according to the invention where two elements like the one in figures 1a and 1b are shown connected, thus giving shape to a complete example of device (10) that comprises a first sheet (16) disposed on a first substrate portion and a second sheet (160) disposed on a second substrate portion. In particular, the first substrate portion is implemented as a first substrate and the second substrate portion is implemented as a second substrate independent of and separate from the first substrate.
La primera (16) y la segunda (160) lámina son láminas de material termoeléctrico de tipo opuesto, es decir, el material de la primera lámina (16) es de tipo n, y el de la segunda lámina de tipo p, o viceversa.The first (16) and second (160) sheets are sheets of thermoelectric material of opposite type, that is, the material of the first sheet (16) is of type n, and that of the second sheet of type p, or vice versa. .
En esta realización, el segundo sustrato es idéntico al primer sustrato, estando dispuesto de la misma manera que aquél, entre los focos caliente y frío, es decir, entre el soporte (11) superior y el soporte (12) inferior, y estando en comunicación térmica con ellos, a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente mediante un primer extremo y un segundo extremo del segundo sustrato, respectivamente.In this embodiment, the second substrate is identical to the first substrate, being arranged in the same way as the former, between the hot and cold sources, that is, between the upper support (11) and the lower support (12), and being in thermal communication with them, through the electrically insulating layers (13, 14) through a first end and a second end of the second substrate, respectively.
También de la misma manera que el sustrato y la lámina (16), mostrados en las figuras 1a y 1b, la segunda lámina (160) mostrada en la figura 2 está dispuesta sobre el segundo sustrato, quedando ubicada entre los dos soportes (11, 12) y en comunicación térmica con ellos a través de las capas (13, 14) aislantes eléctricamente mediante un primer extremo (160.1) y un segundo extremo (160.2) de la segunda lámina (160), respectivamente.Also in the same way as the substrate and the sheet (16), shown in figures 1a and 1b, the second sheet (160) shown in figure 2 is arranged on the second substrate, being located between the two supports (11, 12) and in thermal communication with them through the electrically insulating layers (13, 14) by means of a first end (160.1) and a second end (160.2) of the second sheet (160), respectively.
En cuanto a la configuración geométrica y las relaciones dimensionales entre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico y el segundo sustrato, se observa que también son como las mostradas en las figuras 1a y 1 b. En particular, el segundo sustrato tiene geometría de prisma rectangular, mientras que la segunda lámina (160) tiene geometría rectangular y está dispuesta sobre el segundo sustrato cubriendo completamente una cara del mismo, es decir, los contornos de la cara del segundo sustrato sobre la que se dispone la segunda lámina (160) y de dicha segunda lámina (160) coinciden.Regarding the geometric configuration and the dimensional relationships between the second sheet (160) of thermoelectric material and the second substrate, it is observed that they are also as those shown in Figures 1a and 1b. In particular, the second substrate has a rectangular prism geometry, while the second sheet (160) has a rectangular geometry and is arranged on the second substrate completely covering one face thereof, that is, the contours of the face of the second substrate on the second substrate. that the second sheet (160) is arranged and said second sheet (160) coincide.
El área transversal de la primera lámina (16) es igual o menor que la décima parte del área transversal del primer sustrato y el área transversal de la segunda lámina (160) es igual o menor que la décima parte del área transversal del segundo sustrato. La sección transversal de cada conjunto de lámina (16, 160) y sustrato es como la mostrada esquemáticamente en la figura 1c.The cross-sectional area of the first sheet (16) is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the first substrate and the cross-sectional area of the second sheet (160) is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the second substrate. The cross section of each sheet (16, 160) and substrate assembly is as shown schematically in Figure 1c.
En esta realización de geometría plana, con una lámina por sustrato y siendo la anchura de la lámina igual a la anchura del sustrato sobre el que se encuentra dispuesta, la relación entre áreas transversales de lámina y sustrato depende exclusivamente de la relación entre espesores de lámina y sustrato. La longitud de la lámina (16, 160) es igual a la longitud del sustrato sobre el que se encuentra dispuesta.In this planar geometry embodiment, with one sheet per substrate and the width of the sheet being equal to the width of the substrate on which it is arranged, the ratio between sheet and substrate cross-sectional areas depends exclusively on the ratio of sheet thicknesses. and substrate. The length of the sheet (16, 160) is equal to the length of the substrate on which it is arranged.
Asimismo, para optimizar el desacople entre el gradiente térmico fijado principalmente a través de cada sustrato del transporte electrónico a través de cada lámina (16, 160), en una realización la relación entre sus espesores cumple la siguiente relación. Por un lado, los espesores de la primera lámina (16) y el primer sustrato cumplen la siguiente relación:Likewise, to optimize the mismatch between the thermal gradient set mainly through each substrate of the electron transport through each sheet (16, 160), in one embodiment the relationship between their thicknesses meets the following relationship. On the one hand, the thicknesses of the first sheet (16) and the first substrate meet the following relationship:
siendo k 1 la conductividad térmica de la primera lámina (16), Ksub l la conductividad where k 1 is the thermal conductivity of the first sheet (16), Ksub l is the conductivity
térmica del primer sustrato, a ± el espesor del primer sustrato y d ± el espesor de la primera lámina (16). temperature of the first substrate, a ± the thickness of the first substrate and d ± the thickness of the first sheet (16).
Por otro lado, los espesores de la segunda lámina (160) y el segundo sustrato cumplen la siguiente relación:On the other hand, the thicknesses of the second sheet (160) and the second substrate meet the following relationship:
02 _ k 2 02_k2
^ 2 ^2 Ksubksub , , 22
siendo k 2 la conductividad térmica de la segunda lámina (160), Ksub,2 la conductividad where k 2 is the thermal conductivity of the second sheet (160), Ksub,2 the conductivity
térmica del segundo sustrato, a 2 el espesor del segundo sustrato y d 2 el espesor de la segunda lámina (160).temperature of the second substrate, a 2 the thickness of the second substrate and d 2 the thickness of the second sheet (160).
Tal y como se indicaba, el material termoeléctrico de la primera (16) y de la segunda (160) lámina son diferentes. En particular, en esta realización la primera lámina (16) es de material de tipo n, y la segunda lámina (160) es de material de tipo p. De cara al aprovechamiento del fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, se observa que la segunda lámina (160) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) dispuestos, de la misma manera que ocurre con los contactos eléctricos (17, 18) de la primera lámina (16), próximos a cada extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. Se observa además que un contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado con un contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160), quedando libres en la realización mostrada los respectivos contactos eléctricos (18, 180) opuestos de cada lámina (16, 160).As indicated, the thermoelectric material of the first (16) and second (160) sheets are different. In particular, in this embodiment the first sheet (16) is of n-type material, and the second sheet (160) is of p-type material. Facing the use of the thermoelectric phenomenon to generate electricity, it is observed that the second sheet (160) comprises two electrical contacts (170, 180) arranged, in the same way that occurs with the electrical contacts (17, 18) of the first sheet (16), close to each end (160.1, 160.2) of said second sheet (160), respectively. It is further noted that an electrical contact (17) of the first sheet (16) is connected to an electrical contact (170) of the second sheet (160), the respective opposite electrical contacts (18, 180) remaining free in the embodiment shown. of each sheet (16, 160).
Por propósitos ilustrativos, dichos contactos eléctricos (18, 180) libres se muestran proyectando una determinada longitud desde el límite geométrico del soporte (12) para indicar que a través de dichos contactos (18, 180) se pueden establecer conexiones eléctricas, tal como con elementos externos al dispositivo o con dispositivos termoeléctricos (10) adyacentes.For illustrative purposes, said free electrical contacts (18, 180) are shown projecting a certain length from the geometric limit of the support (12) to indicate that through said contacts (18, 180) electrical connections can be established, such as with elements external to the device or with adjacent thermoelectric devices (10).
Al igual que los materiales termoeléctricos de la primera (16) y la segunda (160) lámina son diferentes, los materiales del primer y el segundo sustrato también pueden ser diferentes con el fin de optimizar la relación entre espesores y conductividades anteriormente descrita.Just as the thermoelectric materials of the first (16) and second (160) sheets are different, the materials of the first and second substrates can also be different in order to optimize the previously described relationship between thicknesses and conductivities.
Aunque en las realizaciones mostradas en las figuras 1a, 1b y 2 los sustratos están configurados con una geometría de prisma rectangular, el sustrato del dispositivo (10) según la invención puede estar configurado con otras geometrías. En la figura 3a se muestra un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención que comprende dos sustratos (15, 150) independientes que tienen geometría cilíndrica.Although in the embodiments shown in Figures 1a, 1b and 2 the substrates are configured with a rectangular prism geometry, the substrate of the device (10) according to the invention it can be configured with other geometries. An exemplary embodiment of a thermoelectric device (10) according to the invention is shown in figure 3a comprising two independent substrates (15, 150) having cylindrical geometry.
En esta realización el dispositivo (10) comprende dos láminas (16, 160) de material termoeléctrico con geometría curva, estando dispuesta cada lámina (16, 160) sobre una correspondiente primera y segunda porción de sustrato, las cuales, como se puede observar, están implementadas como un primer sustrato (15) con geometría cilíndrica, y como un segundo sustrato (150) con geometría cilíndrica, respectivamente. En la figura se observan los dos sustratos (15, 150) de geometría cilíndrica, con una lámina (16, 160) de material termoeléctrico dispuesta en la superficie exterior de cada sustrato (15, 150), a lo largo de un determinado arco. El arco cubierto por cada lámina (16, 160) puede corresponder a una porción de la superficie exterior o a toda la superficie exterior del sustrato (15, 150) cilíndrico sobre el que está dispuesta. La disposición de una lámina (16, 160) de material termoeléctrico a lo largo de toda la superficie externa de un sustrato (15, 150) permite optimizar el uso total del área efectiva de dicho sustrato (15, 150) aislante térmico y eléctrico.In this embodiment the device (10) comprises two sheets (16, 160) of thermoelectric material with curved geometry, each sheet (16, 160) being arranged on a corresponding first and second portion of substrate, which, as can be seen, they are implemented as a first substrate (15) with cylindrical geometry, and as a second substrate (150) with cylindrical geometry, respectively. The figure shows the two substrates (15, 150) with cylindrical geometry, with a sheet (16, 160) of thermoelectric material arranged on the outer surface of each substrate (15, 150), along a determined arc. The arc covered by each sheet (16, 160) can correspond to a portion of the outer surface or to the entire outer surface of the cylindrical substrate (15, 150) on which it is arranged. The provision of a sheet (16, 160) of thermoelectric material along the entire external surface of a substrate (15, 150) makes it possible to optimize the total use of the effective area of said thermal and electrical insulating substrate (15, 150).
El área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 3b se representa esquemáticamente una sección transversal de los dos conjuntos de lámina y sustrato del dispositivo de la figura 3a, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub,1, Asub,2) de los sustratos (15, 150). En la figura 3b el área transversal (Asub,1, Asub,2) de los sustratos se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área transversal de sustrato es el área (Asub) aportado por los dos sustratos (Asub=Asub,1+Asub,2) en dicha sección transversal. Se cumple además para cada conjunto de sustrato y lámina que el área transversal de la lámina es igual o menor que la décima parte del área transversal del sustrato.The cross-sectional area of thermoelectric material is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of substrate. Figure 3b schematically represents a cross section of the two sheet and substrate assemblies of the device in figure 3a, where the cross-sectional area (A1, A2) of the sheets (16, 160) and the cross-sectional area ( Asub,1, Asub,2) of the substrates (15, 150). In figure 3b the cross-sectional area (Asub,1, Asub,2) of the substrates has been represented with a checkered pattern and the cross-sectional area (A) of the sheets has been represented without a pattern. In this embodiment, the cross-sectional area of thermoelectric material is the area (A) contributed by the two sheets of thermoelectric material (A=A1+A2) and the cross-sectional area of substrate is the area (Asub) contributed by the two substrates (Asub =Asub,1+Asub,2) in said cross section. It further holds for each assembly of substrate and sheet that the cross-sectional area of the sheet is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of the substrate.
El ejemplo de realización del dispositivo (10) mostrado en la figura 3a comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Además, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. Tal y como ocurría en el ejemplo de realización mostrado en la figura 2, el material termoeléctrico de la primera (16) y de la segunda (160) lamina son diferentes. En particular, en esta realización la primera lámina (16) es de material de tipo n, y la segunda lámina (160) es de material de tipo p. De cara al aprovechamiento del fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, un contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado a un contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160).The embodiment example of the device (10) shown in figure 3a comprises two electrical contacts (17, 18) arranged on the first sheet (16) of thermoelectric material, where each electrical contact (17, 18) is arranged close to a end (16.1, 16.2) of said first sheet (16), respectively. In addition, the device (10) comprises two additional electrical contacts (170, 180) arranged on the second sheet (160) of thermoelectric material, where each electrical contact (170, 180) is arranged close to one end (160.1, 160.2) of said second sheet (160), respectively. As was the case in the exemplary embodiment shown in Figure 2, the thermoelectric material of the first (16) and the second (160) sheet are different. In particular, in this embodiment the first sheet (16) is of n-type material, and the second sheet (160) is of p-type material. With a view to taking advantage of the thermoelectric phenomenon to generate electricity, an electrical contact (17) of the first sheet (16) is connected to an electrical contact (170) of the second sheet (160).
Al igual que los materiales termoeléctricos de la primera (16) y la segunda (160) lámina son diferentes, los materiales del primer y el segundo sustrato también pueden ser diferentes con el fin de optimizar la optimizar la eficiencia del dispositivo termoeléctrico.Just as the thermoelectric materials of the first (16) and second (160) sheets are different, the materials of the first and second substrates can also be different in order to optimize the efficiency of the thermoelectric device.
En una realización en la que la primera (16) y/o la segunda (160) lámina está dispuesta cubriendo un arco de 360° sobre la superficie del correspondiente sustrato (15, 150), se cumple:In an embodiment in which the first (16) and/or the second (160) sheet is arranged covering a 360° arc on the surface of the corresponding substrate (15, 150), the following is fulfilled:
^sub _ K^sub_K
V ^ T ^sub ^sub V ^ T ^sub ^sub
donde K es la conductividad térmica de la lámina (16, 160) termoeléctrica, Ksub la where K is the thermal conductivity of the thermoelectric sheet (16, 160), Ksub the
conductividad térmica del sustrato (15, 150), Rsub el radio del sustrato (15, 150), y RT el radio total del conjunto cilindrico formado por el sustrato (15, 150) y al menos una lámina (16, 160) dispuesta sobre su superficie.thermal conductivity of the substrate (15, 150), Rsub the radius of the substrate (15, 150), and RT the total radius of the cylindrical assembly formed by the substrate (15, 150) and at least one sheet (16, 160) arranged on its surface.
En la figura 4a se muestra otro ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) según la invención. Como en la realización de la figura 3a, en esta realización se muestra un sustrato (15) aislante térmico y eléctrico configurado con una geometría cilindrica, y el dispositivo (10) comprende una primera lámina (16) y una segunda lámina (160) de material termoeléctrico, ambas láminas (16, 160) con geometría curva. Sin embargo, a diferencia de la realización de la figura 3a, en la realización de la figura 4a la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) están dispuestas ambas sobre sendas porciones de un mismo sustrato (15), cada una a lo largo de un determinado arco de la superficie exterior de dicho sustrato (15). La primera lámina (16) y la segunda lámina (160) son una de tipo n y otra de tipo p y están dispuestas sobre el sustrato (15) sin que exista contacto físico entre ellas para evitar conexiones eléctricas incontroladas entre ambas láminas (16, 160). Para establecer una comunicación eléctrica y aprovechar el fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, al igual que ocurría con los ejemplos de realización de dispositivos termoeléctricos (10) mostrados en las figuras 2 y 3a, el dispositivo (10) mostrado en la figura 4a comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16), donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Por otro lado, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160), donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente.Another example of embodiment of a thermoelectric device (10) according to the invention is shown in figure 4a. As in the embodiment of figure 3a, in this embodiment a thermal and electrical insulating substrate (15) configured with a cylindrical geometry is shown, and the device (10) comprises a first sheet (16) and a second sheet (160) of thermoelectric material, both sheets (16, 160) with curved geometry. However, unlike the embodiment of figure 3a, in the embodiment of figure 4a the first sheet (16) and the second sheet (160) are both arranged on respective portions of the same substrate (15), each one at along a certain arc of the outer surface of said substrate (15). The first sheet (16) and the second sheet (160) are one of type n and the other of type p and are arranged on the substrate (15) without physical contact between them to avoid uncontrolled electrical connections between both sheets (16, 160). . To establish electrical communication and take advantage of the thermoelectric phenomenon to generate electricity, as was the case with the examples of embodiments of thermoelectric devices (10) shown in figures 2 and 3a, the device (10) shown in figure 4a comprises two contacts electrical contacts (17, 18) arranged on the first sheet (16), where each electrical contact (17, 18) is arranged close to one end (16.1, 16.2) of said first sheet (16), respectively. On the other hand, the device (10) comprises two additional electrical contacts (170, 180) arranged on the second sheet (160), where each electrical contact (170, 180) is arranged close to one end (160.1, 160.2) of said second sheet (160), respectively.
El área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 4b se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de la figura 4a, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 4b el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato en dicha sección transversal.The cross-sectional area of thermoelectric material is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of substrate. Figure 4b schematically represents a cross section of the assembly of sheets and substrate of the device of figure 4a, where the cross-sectional area (A1, A2) of the sheets (16, 160) and the cross-sectional area (Asub) have been identified. of the substrate (15). In figure 4b the cross-sectional area (Asub) of the substrate has been represented with a checkered pattern and the cross-sectional area (A) of the sheets has been represented without a screen. In this embodiment, the cross-sectional area of thermoelectric material is the area (A) contributed by the two sheets of thermoelectric material (A=A1+A2) and the substrate area is the area (Asub) contributed by the only substrate in said section. cross.
En una realización cada una de la primera (16) y la segunda (160) lámina cubre un arco próximo inferiormente a 180°. En otras realizaciones, el dispositivo (10) puede incluir más de dos láminas termoeléctricas dispuestas a lo largo de la superficie exterior del sustrato (15) y sin establecer contacto físico entre sí.In one embodiment each of the first (16) and second (160) sheets cover an arc close to less than 180°. In other embodiments, the device (10) can include more than two thermoelectric sheets arranged along the outer surface of the substrate (15) and without making physical contact with each other.
Las figuras 5a y 5b muestran una vista en perspectiva y otra de perfil de un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) que comprende una primera (16) y una segunda (160) lámina, dispuestas ambas láminas (16, 160) sobre sendas porciones de sustrato implementadas como un mismo sustrato (15). En particular, cada lámina (16, 160) está compuesta de un material termoeléctrico de tipo opuesto. Es decir, el material de la primera lámina (16) es un material de tipo n, y el de la segunda lámina (160) es un material de tipo p. Al igual que en las figuras 1a y 1b, se observa que en esta realización el dispositivo termoeléctrico (10) mostrado comprende, en sus posiciones más extremas, dos soportes (11, 12), separados una cierta distancia, configurados para conducir calor y en contacto, cada uno, con una capa (13, 14) aislante eléctricamente.Figures 5a and 5b show a perspective view and a profile view of an embodiment of a thermoelectric device (10) comprising a first (16) and a second (160) sheet, both sheets (16, 160) arranged on respective portions of substrate implemented as the same substrate (15). In particular, each sheet (16, 160) is composed of a thermoelectric material of the opposite type. That is, the material of the first sheet (16) is an n-type material, and that of the second sheet (160) is a p-type material. As in figures 1a and 1b, it can be seen that in this embodiment the thermoelectric device (10) shown comprises, in its most extreme positions, two supports (11, 12), separated by a certain distance, configured to conduct heat and in contact, each one, with an electrically insulating layer (13, 14).
Al igual que en la figura 4a, y tal y como se indica anteriormente, la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) están dispuestas ambas sobre un mismo sustrato (15), Sin embargo, en este caso, el sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, y la primera (16) y la segunda (160) lámina tienen geometría rectangular. Las láminas (16, 160) están dispuestas sobre caras opuestas del sustrato (15), cada lámina (16, 160) cubriendo completamente la cara sobre la que está dispuesta.As in figure 4a, and as indicated above, the first sheet (16) and the second sheet (160) are both arranged on the same substrate (15). However, in this case, the substrate ( 15) has rectangular prism geometry, and the first (16) and second (160) sheets have rectangular geometry. The sheets (16, 160) are arranged on opposite faces of the substrate (15), each sheet (16, 160) completely covering the face on which it is arranged.
De la misma manera que en la figura 4a, para establecer una comunicación eléctrica y aprovechar el fenómeno termoeléctrico para generar electricidad, el dispositivo (10) mostrado en las figuras 5a y 5b comprende dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (17, 18) está dispuesto próximo a un extremo (16.1, 16.2) de dicha primera lámina (16), respectivamente. Por otro lado, el dispositivo (10) comprende dos contactos eléctricos (170, 180) adicionales dispuestos sobre la segunda lámina (160) de material termoeléctrico, donde cada contacto eléctrico (170, 180) está dispuesto próximo a un extremo (160.1, 160.2) de dicha segunda lámina (160), respectivamente. En la figura 5c se muestra una vista en planta en la que, por propósitos ilustrativos, se ha omitido mostrar tanto el soporte (11) superior, como la capa (13) aislante eléctricamente superior. Así, se permite la visualización de las conexiones establecidas entre la primera (16) y la segunda (160) lámina. En particular, se observan conexiones eléctricas (19) conectadas a los correspondientes contactos eléctricos (17, 170) más cercanos a la parte superior del dispositivo. De la misma manera, en la figura 5d se proporciona una vista en planta en la que se ha truncado el cuerpo del dispositivo por un plano perpendicular a las láminas por una sección a una altura intermedia entre las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Así, se proporciona una vista de las conexiones eléctricas (19’) previstas para la conexión con dispositivos termoeléctricos adicionales o con dispositivos de otro tipo. Así, mediante conexiones eléctricas (19, 19’) como las mostradas esquemáticamente en las figuras 5a-5d pueden conectarse eléctricamente la primera (16) y la segunda (160) láminas entre sí, así como conectarse eléctricamente con dispositivos termoeléctricos adicionales o con dispositivos de otro tipo.In the same way as in figure 4a, to establish electrical communication and take advantage of the thermoelectric phenomenon to generate electricity, the device (10) shown in figures 5a and 5b comprises two electrical contacts (17, 18) arranged on the first sheet (16) of thermoelectric material, where each electrical contact (17, 18) is arranged close to one end (16.1, 16.2) of said first sheet (16), respectively. On the other hand, the device (10) comprises two additional electrical contacts (170, 180) arranged on the second sheet (160) of thermoelectric material, where each electrical contact (170, 180) is arranged close to one end (160.1, 160.2 ) of said second sheet (160), respectively. Figure 5c shows a plan view in which, for illustrative purposes, both the upper support (11) and the upper electrically insulating layer (13) have been omitted. Thus, the visualization of the connections established between the first (16) and the second (160) sheet is allowed. In particular, electrical connections (19) are seen connected to the corresponding electrical contacts (17, 170) closest to the top of the device. In the same way, in figure 5d a plan view is provided in which the body of the device has been truncated by a plane perpendicular to the sheets by a section at an intermediate height between the electrically insulating layers (13, 14). Thus, a view of the electrical connections (19') provided for connection with additional thermoelectric devices or with devices of another type is provided. Thus, by means of electrical connections (19, 19') such as those shown schematically in figures 5a-5d, it is possible to electrically connect the first (16) and the second (160) sheets with each other, as well as electrically connect with additional thermoelectric devices or with devices of another type.
En el dispositivo de las figuras 5a-5d el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 5e se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de las figuras 5a-5d, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2) de las láminas (16, 160) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 5e el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las dos láminas (16, 160) de material termoeléctrico (A=A1+A2) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato (15) en dicha sección transversal.In the device of Figures 5a-5d the cross-sectional area of thermoelectric material is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of substrate. Figure 5e schematically represents a cross section of the set of sheets and substrate of the device of figures 5a-5d, where the cross-sectional area (A1, A2) of the sheets (16, 160) and the cross-sectional area ( Asub) of the substrate (15). In figure 5e the cross-sectional area (Asub) of the substrate has been represented with a checkered pattern and the cross-sectional area (A) of the sheets has been represented without a screen. In this embodiment, the cross-sectional area of thermoelectric material is the area (A) contributed by the two sheets (16, 160) of thermoelectric material (A=A1+A2) and the substrate area is the area (Asub) contributed by the single substrate (15) in said cross section.
Las figuras 6a - 6d muestran respectivamente vistas en perspectiva, de perfil, y sendas vistas de secciones del dispositivo (10) a diferentes alturas de un ejemplo de realización de un dispositivo termoeléctrico (10) similar al de las figuras 5a - 5d, pero en donde, en este caso, el dispositivo (10) comprende cuatro láminas (16, 160, 16’ ,160’) de material termoeléctrico. Como en los ejemplos de las figuras 4a y 4b, existe un único sustrato (15) aislante térmico y eléctrico. Dicho sustrato (15) tiene geometría de prisma rectangular, y las cuatro láminas (16, 160, 16’ ,160’) tienen geometría rectangular, disponiéndose cada una sobre una cara del sustrato (15). Sin embargo, en esta ocasión, tal y como se puede observar, cada lámina (16, 160, 16’, 160’) cubre solo parcialmente la cara del sustrato (15) sobre la que está dispuesta. Además, los pares de láminas (16, 160, 16’ ,160’) de materiales de tipos opuestos se disponen en caras contiguas para facilitar su conexión. En particular, tal y como se puede observar, la primera lámina (16) dispuesta en la cara frontal del sustrato (15) es de un material de tipo n, mientras que su par de tipo p es la segunda lámina (160) dispuesta sobre la cara lateral derecha según se observa en la figura 6a. La tercera lámina (16’), compuesta de un material de tipo p, está conectada a su par de tipo n, es decir, la cuarta lámina (160’). En las secciones transversales mostradas como figuras 6c y 6d se aprecia la disposición de las cuatro láminas (16, 16’, 160, 160’). Las cuatro láminas (16, 16’, 160, 160’) están dispuestas sobre el sustrato (15) sin que exista contacto físico directo entre las distintas láminas. Figures 6a - 6d respectively show views in perspective, profile, and respective sectional views of the device (10) at different heights of an embodiment example of a thermoelectric device (10) similar to that of figures 5a - 5d, but in where, in this case, the device (10) comprises four sheets (16, 160, 16', 160') of thermoelectric material. As in the examples of figures 4a and 4b, there is a single thermal and electrical insulating substrate (15). Said substrate (15) has a rectangular prism geometry, and the four sheets (16, 160, 16', 160') have rectangular geometry, each one being arranged on one face of the substrate (15). However, on this occasion, as can be seen, each sheet (16, 160, 16', 160') only partially covers the face of the substrate (15) on which it is arranged. In addition, the pairs of sheets (16, 160, 16', 160') of materials of opposite types are arranged on adjacent faces to facilitate their connection. In particular, as can be seen, the first sheet (16) arranged on the front face of the substrate (15) is made of an n-type material, while its p-type pair is the second sheet (160) arranged on the right lateral face as observed in figure 6a. The third sheet (16'), composed of a p-type material, is connected to its n-type pair, ie, the fourth sheet (160'). The cross sections shown as figures 6c and 6d show the arrangement of the four sheets (16, 16', 160, 160'). The four sheets (16, 16', 160, 160') are arranged on the substrate (15) without direct physical contact between the different sheets.
En las figuras se observan dos contactos eléctricos (17, 18) dispuestos sobre la primera lámina (16), dos contactos eléctricos (170, 180) dispuestos sobre la segunda lámina (160), dos contactos eléctricos (17’, 18’) dispuestos sobre la tercera lámina (16’) y dos contactos eléctricos (170’, 180’) dispuestos sobre la cuarta lámina (160’), estando cada contacto eléctrico próximo a un extremo de la lámina correspondiente. En la figura 6c se proporciona una vista en planta en la que, por propósitos ilustrativos, se ha omitido mostrar tanto el soporte (11) superior, como la capa (13) aislante eléctricamente superior. Así, se permite la visualización de las conexiones establecidas entre las diferentes láminas, dos a dos, en particular entre la primera (16) y la segunda (160) lámina y entre la tercera (16’) y la cuarta (160’) lámina, respectivamente. En particular, se observa que unas conexiones eléctricas (19) están conectadas a los correspondientes contactos eléctricos más cercanos a la parte superior del dispositivo. De la misma manera, en la figura 6d se proporciona una vista en planta en la que se ha truncado el cuerpo del dispositivo por un plano perpendicular a las láminas por una sección a una altura intermedia entre las capas (13, 14) aislantes eléctricamente. Así, se proporciona una vista de las conexiones establecidas entre las diferentes láminas, dos a dos, en particular entre la primera (16) y la cuarta (160’) lámina y entre la segunda (160) y la tercera (16’) lámina, respectivamente. En particular, se observa que unas conexiones eléctricas (19’) están conectadas a los correspondientes contactos eléctricos más cercanos a la parte inferior del dispositivo.The figures show two electrical contacts (17, 18) arranged on the first sheet (16), two electrical contacts (170, 180) arranged on the second sheet (160), two electrical contacts (17', 18') arranged on the third sheet (16') and two electrical contacts (170', 180') arranged on the fourth sheet (160'), each electrical contact being close to one end of the corresponding sheet. Figure 6c provides a plan view in which, for illustrative purposes, it has been omitted to show both the upper support (11) and the upper electrically insulating layer (13). Thus, it allows the visualization of the connections established between the different sheets, two by two, in particular between the first (16) and the second (160) sheet and between the third (16') and the fourth (160') sheet. , respectively. In particular, it can be seen that electrical connections (19) are connected to the corresponding electrical contacts closest to the upper part of the device. In the same way, in figure 6d a plan view is provided in which the body of the device has been truncated by a plane perpendicular to the sheets by a section at an intermediate height between the electrically insulating layers (13, 14). Thus, a view is provided of the connections established between the different sheets, two by two, in particular between the first (16) and the fourth (160') sheet and between the second (160) and the third (16') sheet. , respectively. In particular, it can be seen that electrical connections (19') are connected to the corresponding electrical contacts closest to the bottom of the device.
En estas figuras se aprecian conexiones eléctricas (19, 19’) para la conexión eléctrica de las láminas correspondientes y/o para la conexión con elementos externos al propio dispositivo. En la vista en perspectiva de la figura 6a y en las figuras 6c y 6d, se observa que las conexiones eléctricas (19’) próximas al soporte (12) y a la capa (14) aislante eléctricamente, proyectan una determinada longitud desde el límite geométrico de dicho soporte (12). Esta representación sirve al propósito ilustrativo de indicar que a través de dichas conexiones eléctricas (19’) pueden conectarse eléctricamente con dispositivos termoeléctricos (10) adyacentes u otros dispositivos. A pesar de que en las figuras se han representado los contactos eléctricos y las conexiones eléctricas como elementos diferentes, los propios contactos eléctricos (18) y (180) pueden presentar proyecciones para la conexión entre las láminas del dispositivo y/o para la conexión con otros dispositivos. These figures show electrical connections (19, 19') for the electrical connection of the corresponding sheets and/or for the connection with elements external to the device itself. In the perspective view of figure 6a and in figures 6c and 6d, it can be seen that the electrical connections (19') close to the support (12) and the electrically insulating layer (14), project a certain length from the geometric limit of said support (12). This representation serves the illustrative purpose of indicating that through said electrical connections (19') they can be electrically connected with adjacent thermoelectric devices (10) or other devices. Despite the fact that in the figures the electrical contacts and the electrical connections have been represented as different elements, the electrical contacts (18) and (180) themselves may present projections for the connection between the sheets of the device and/or for the connection with other devices.
En el dispositivo de las figuras 6a-6d el área transversal de material termoeléctrico es igual o menor que la décima parte del área transversal de sustrato. En la figura 6e se representa esquemáticamente una sección transversal del conjunto de láminas y sustrato del dispositivo de las figuras 6a-6d, donde se ha identificado el área transversal (A1, A2, A3, A4) de las láminas (16, 160, 16’, 160’) y el área transversal (Asub) del sustrato (15). En la figura 6e el área transversal (Asub) del sustrato se ha representado con trama de cuadros y el área transversal (A) de las láminas se ha representado sin trama. En esta realización, el área transversal de material termoeléctrico es el área (A) aportado por las cuatro láminas (16, 160, 16’, 160’) de material termoeléctrico (A=A1+A2+A3+A4) y el área de sustrato es el área (Asub) aportado por el único sustrato (15) en dicha sección transversal.In the device of Figures 6a-6d the cross-sectional area of thermoelectric material is equal to or less than one tenth of the cross-sectional area of substrate. Figure 6e schematically represents a cross section of the set of sheets and substrate of the device of figures 6a-6d, where the cross-sectional area (A1, A2, A3, A4) of the sheets (16, 160, 16) has been identified. ', 160') and the cross-sectional area (Asub) of the substrate (15). In figure 6e the cross-sectional area (Asub) of the substrate has been represented with a checkered pattern and the cross-sectional area (A) of the sheets has been represented without a screen. In this embodiment, the cross-sectional area of thermoelectric material is the area (A) contributed by the four sheets (16, 160, 16', 160') of thermoelectric material (A=A1+A2+A3+A4) and the area of substrate is the area (Asub) contributed by the single substrate (15) in said cross section.
A pesar de que en las realizaciones ejemplificadas de dispositivos termoeléctricos con sustratos prismáticos los sustratos prismáticos presentan dos bases y cuatro caras laterales, los sustratos pueden tener un número diferente de caras laterales, por ejemplo seis u ocho caras laterales.Although in the exemplified embodiments of thermoelectric devices with prismatic substrates the prismatic substrates have two bases and four side faces, the substrates may have a different number of side faces, for example six or eight side faces.
En las figuras 7 y 8 se muestran dos realizaciones del generador termoeléctrico (20) de la invención, que comprenden una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) conectados en serie. En las realizaciones de las figuras 7 y 8 cada dispositivo termoeléctrico (10) es del tipo mostrado en la figura 2, con la diferencia de que, mientras que el dispositivo termoeléctrico (10) de la figura 2 incluía un soporte (11) superior y un soporte (12) inferior, los dispositivos termoeléctricos (10) de las realizaciones de las figuras 7 y 8 no incluyen cada uno soportes individuales, sino que todos los dispositivos termoeléctricos (10) se encuentran acoplados a dos únicos soportes globales (110, 120). Estos soportes globales (110, 120) actúan como soporte estructural de la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) y como interfaz para establecer contacto con dos focos térmicos.In figures 7 and 8 two embodiments of the thermoelectric generator (20) of the invention are shown, comprising a plurality of thermoelectric devices (10) connected in series. In the embodiments of figures 7 and 8 each thermoelectric device (10) is of the type shown in figure 2, with the difference that, while the thermoelectric device (10) of figure 2 included an upper support (11) and a lower support (12), the thermoelectric devices (10) of the embodiments of figures 7 and 8 do not each include individual supports, but all the thermoelectric devices (10) are coupled to two unique global supports (110, 120 ). These global supports (110, 120) act as structural support for the plurality of thermoelectric devices (10) and as an interface to establish contact with two heat sources.
En el generador termoeléctrico (20) de la figura 7 los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos en una configuración lineal, formando una fila conectados en serie. En esta figura cada dispositivo termoeléctrico (10) se representa encuadrado esquemáticamente en línea discontinua.In the thermoelectric generator (20) of Figure 7, the thermoelectric devices (10) are distributed in a linear configuration, forming a row connected in series. In this figure each thermoelectric device (10) is represented schematically framed in broken lines.
En un ejemplo de realización alternativo al mostrado en la figura 7 en el que los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos en una configuración lineal formando una fila, dichos dispositivos termoeléctricos (10) se conectan en paralelo.In an alternative embodiment example to that shown in figure 7 in which the thermoelectric devices (10) are distributed in a linear configuration forming a row, said thermoelectric devices (10) are connected in parallel.
En el generador termoeléctrico (20) de la figura 8 los dispositivos termoeléctricos (10) están distribuidos según una configuración anular. En esta figura uno de los dispositivos termoeléctricos (10) se representa encuadrado esquemáticamente en línea discontinua.In the thermoelectric generator (20) of figure 8, the thermoelectric devices (10) are distributed according to an annular configuration. In this figure one of the thermoelectric devices (10) is shown schematically framed in broken lines.
Como se describía en relación con la figura 2, los dispositivos termoeléctricos (10) de las realizaciones de las figuras 7 y 8 comprenden una primera lámina (16) de material termoeléctrico dispuesta sobre una primera porción de sustrato y una segunda lámina (160) de material termoeléctrico dispuesta sobre una segunda porción de sustrato, siendo la primera lámina (16) y la segunda lámina (160) de tipos opuestos, y en donde la primera porción de sustrato está implementada como un primer sustrato y la segunda porción de sustrato está implementada como un segundo sustrato independiente del primer sustrato. En la realización de la figura 7 la primera lámina (16) es de tipo n y la segunda lámina (160) es de tipo p.As described in connection with Figure 2, the thermoelectric devices (10) of the embodiments of Figures 7 and 8 comprise a first sheet (16) of thermoelectric material disposed on a first substrate portion and a second sheet (160) of thermoelectric material disposed on a second substrate portion, the first sheet (16) and the second sheet (160) being of opposite types, and wherein the first substrate portion is implemented as a first substrate and the second substrate portion is implemented as a second substrate independent of the first substrate. In the embodiment of Figure 7 the first sheet (16) is n-type and the second sheet (160) is p-type.
En las realizaciones de las figuras 7 y 8 los sustratos tienen una geometría de prisma rectangular y la primera (16) y la segunda (160) lámina tienen una geometría rectangular y están dispuestas sobre una de las caras del sustrato.In the embodiments of Figures 7 and 8 the substrates have a rectangular prism geometry and the first (16) and second (160) sheets have a rectangular geometry and are arranged on one of the faces of the substrate.
Los dos sustratos independientes de cada dispositivo termoeléctrico (10) están dispuestos entre los soportes globales (110, 120), con cada extremo de los sustratos en comunicación térmica con uno de los soportes globales a través de una capa (13, 14) aislante eléctricamente. La primera (16) y la segunda (160) lámina de cada dispositivo termoeléctrico (10) están dispuestas también entre los soportes globales (110, 120), con cada extremo de las láminas (16, 160) en comunicación térmica con uno de los soportes globales (110, 120) a través de una capa (13, 14) aislante eléctricamente.The two independent substrates of each thermoelectric device (10) are arranged between the global supports (110, 120), with each end of the substrates in thermal communication with one of the global supports through an electrically insulating layer (13, 14). . The first (16) and second (160) sheets of each thermoelectric device (10) are also arranged between the global supports (110, 120), with each end of the sheets (16, 160) in thermal communication with one of the global supports (110, 120) through an electrically insulating layer (13, 14).
En la realización de la figura 7, de configuración lineal, los soportes globales (110, 120) son sustancialmente rectos y al menos uno de ellos presenta una superficie sustancialmente plana. Esta configuración es ventajosa para superficies planas, puesto que permite el apoyo del generador termoeléctrico (20) sobre la superficie plana del soporte global (110, 120). In the embodiment of figure 7, of linear configuration, the global supports (110, 120) are substantially straight and at least one of them has a substantially flat surface. This configuration is advantageous for flat surfaces, since it allows the support of the thermoelectric generator (20) on the flat surface of the global support (110, 120).
En la realización de la figura 8, de configuración anular, los soportes globales (110, 120) son sustancialmente circulares. Esta configuración es ventajosa para disponer el soporte global interior (120) en torno a una tubería que contenga un gas o un líquido caliente.In the embodiment of Figure 8, of annular configuration, the global supports (110, 120) are substantially circular. This configuration is advantageous for arranging the global interior support (120) around a pipe containing a hot gas or liquid.
En las realizaciones de las figuras 7 y 8 cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende cuatro contactos eléctricos (17, 18, 170, 180), en particular dos contactos (17, 18) dispuestos próximos uno a cada extremo de la primera lámina (16) y dos contactos (170, 180) dispuestos próximos uno a cada extremo de la segunda lámina (160). En cada dispositivo termoeléctrico (10) un primer contacto eléctrico (17) de la primera lámina (16) está conectado con un primer contacto eléctrico (170) de la segunda lámina (160). En estas realizaciones los dispositivos termoeléctricos (10) están conectados entre sí en serie, con el segundo contacto eléctrico (180) de la segunda lámina (180) conectado con un segundo contacto eléctrico (18) de la primera lámina (16) del dispositivo termoeléctrico (10) adyacente. En las figuras 7 se aprecian las conexiones eléctricas (19) entre contactos eléctricos de un mismo dispositivo termoeléctrico (10) y las conexiones eléctricas (19’) entre contactos eléctricos de diferentes dispositivos termoeléctricos (10). Además, en la figura 8 se muestran esquemáticamente dos contactos que sobresalen para ejemplificar que son la conexión hacia el exterior del generador.In the embodiments of figures 7 and 8 each thermoelectric device (10) comprises four electrical contacts (17, 18, 170, 180), in particular two contacts (17, 18) arranged close one to each end of the first sheet (16 ) and two contacts (170, 180) arranged close one to each end of the second sheet (160). In each thermoelectric device (10) a first electrical contact (17) of the first sheet (16) is connected to a first electrical contact (170) of the second sheet (160). In these embodiments the thermoelectric devices (10) are connected to each other in series, with the second electrical contact (180) of the second sheet (180) connected to a second electrical contact (18) of the first sheet (16) of the thermoelectric device. (10) adjacent. Figures 7 show the electrical connections (19) between electrical contacts of the same thermoelectric device (10) and the electrical connections (19') between electrical contacts of different thermoelectric devices (10). In addition, figure 8 schematically shows two protruding contacts to exemplify that they are the connection to the outside of the generator.
La configuración de dispositivos termoeléctricos (10) en serie permite una gran versatilidad y, por lo tanto, diversas geometrías del generador termoeléctrico (20), adaptables al tipo de fuente de calor que se pretenda usar como foco caliente en una situación operativa del generador termoeléctrico (20).The configuration of thermoelectric devices (10) in series allows great versatility and, therefore, various geometries of the thermoelectric generator (20), adaptable to the type of heat source that is intended to be used as a hot spot in an operational situation of the thermoelectric generator. (twenty).
La figura 9 muestra generador termoeléctrico (20’) con una conexión en paralelo entre varias filas de dispositivos termoeléctricos (10) conectados eléctricamente entre sí en serie. En la realización de la figura 9 cada fila de dispositivos termoeléctricos (10) mostrada se puede entender como un generador termoeléctrico (20) del tipo mostrado en la figura 7. Las diferentes filas están conectadas eléctricamente entre sí en paralelo mediante conexiones (21) eléctricas entre conectores eléctricos de los dispositivos termoeléctricos (10) situados en los extremos de las filas. En esta figura se han representado como círculos negros los dos extremos de las conexiones de entrada y salida a la fila central de dispositivos termoeléctricos para ilustrar que se trata de las conexiones eléctricas con el exterior del generador.Figure 9 shows a thermoelectric generator (20') with a parallel connection between several rows of thermoelectric devices (10) electrically connected to each other in series. In the embodiment of figure 9 each row of thermoelectric devices (10) shown can be understood as a thermoelectric generator (20) of the type shown in figure 7. The different rows are electrically connected to each other in parallel by means of electrical connections (21). between electrical connectors of the thermoelectric devices (10) located at the ends of the rows. In this figure, the two ends of the input and output connections have been represented as black circles. exit to the central row of thermoelectric devices to illustrate that it is the electrical connections with the exterior of the generator.
Aunque las realizaciones de las figuras 7 a 9 comprenden dispositivos termoeléctricos (10) del tipo mostrado en la figura 2, el generador termoeléctrico puede incluir dispositivos termoeléctricos según cualquiera de las realizaciones de la invención. Por ejemplo, en la figura 10 se muestra un generador termoeléctrico (20) que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) como los mostrados en las figuras 5a y 5b. Como se describía en relación con las figuras 5a y 5b, en esta realización cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende un único sustrato (15) de configuración de prisma rectangular y primera (16) y segunda (160) láminas termoeléctricas (una de tipo n y otra de tipo p) dispuestas en diferentes caras del sustrato (15). En la figura 10 se observa la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) distribuidos en filas y columnas y conectados eléctricamente entre sí mediante conexiones en serie y en paralelo. En particular, en la realización mostrada en cada dispositivo termoeléctrico (10) la primera (16) y la segunda (160) lámina termoeléctrica están conectadas eléctricamente entre sí mediante los conectores eléctricos dispuestos en el primer extremo de las láminas (16, 160), y están conectadas eléctricamente cada una a una lámina del tipo opuesto de un dispositivo termoeléctrico (10) adyacente mediante los conectores eléctricos dispuestos en el segundo extremo de las láminas (16, 160). De esta manera, los dispositivos termoeléctricos (10) de una fila quedan conectados en serie entre sí. La conexión eléctrica entre diferentes filas se realiza en paralelo, conectando entre sí los conectores eléctricos libres de los dispositivos termoeléctricos (10) dispuestos en los extremos de las filas. Aunque se ha descrito una conexión en serie dentro de las filas y una conexión en paralelo entre filas, la conexión podría realizarse igualmente entre columnas.Although the embodiments of Figures 7 to 9 comprise thermoelectric devices (10) of the type shown in Figure 2, the thermoelectric generator may include thermoelectric devices according to any of the embodiments of the invention. For example, in Figure 10 a thermoelectric generator (20) is shown comprising a plurality of thermoelectric devices (10) as shown in Figures 5a and 5b. As described in relation to Figures 5a and 5b, in this embodiment each thermoelectric device (10) comprises a single substrate (15) of rectangular prism configuration and first (16) and second (160) thermoelectric sheets (one n-type and another of type p) arranged on different faces of the substrate (15). Figure 10 shows the plurality of thermoelectric devices (10) distributed in rows and columns and electrically connected to each other by serial and parallel connections. In particular, in the embodiment shown in each thermoelectric device (10) the first (16) and the second (160) thermoelectric sheet are electrically connected to each other by electrical connectors arranged at the first end of the sheets (16, 160), and are each electrically connected to a sheet of the opposite type of an adjacent thermoelectric device (10) by electrical connectors arranged at the second end of the sheets (16, 160). In this way, the thermoelectric devices (10) of a row are connected in series with each other. The electrical connection between different rows is made in parallel, connecting to each other the free electrical connectors of the thermoelectric devices (10) arranged at the ends of the rows. Although a serial connection within rows and a parallel connection between rows have been described, the connection could equally be made between columns.
En la figura 11 se muestra un generador termoeléctrico (20) que comprende una pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) como los mostrados en las figuras 6a y 6b. Como se describía en relación con las figuras 6a y 6b, en esta realización cada dispositivo termoeléctrico (10) comprende un único sustrato (15) de configuración de prisma rectangular y primera (16), segunda (160), tercera (16’) y cuarta (160’) láminas termoeléctricas (dos de tipo n y dos de tipo p) dispuestas cada una en una cara diferente del sustrato (15). En la figura 11 se observa la pluralidad de dispositivos termoeléctricos (10) distribuidos en filas y columnas y conectados eléctricamente entre sí. En particular, en cada dispositivo termoeléctrico (10) hay una conexión en paralelo que permite recuperar, al menos parcialmente o incluso sobrepasarla, la pérdida de intensidad de corriente producida por el uso de láminas.In Figure 11 a thermoelectric generator (20) is shown comprising a plurality of thermoelectric devices (10) as shown in Figures 6a and 6b. As described in relation to Figures 6a and 6b, in this embodiment each thermoelectric device (10) comprises a single substrate (15) of rectangular prism configuration and first (16), second (160), third (16') and fourth (160') thermoelectric sheets (two of type n and two of type p) each arranged on a different face of the substrate (15). Figure 11 shows the plurality of thermoelectric devices (10) distributed in rows and columns and electrically connected to each other. In particular, in each thermoelectric device (10) there is a parallel connection that allows recover, at least partially or even exceed it, the loss of current intensity caused by the use of sheets.
Por propósitos ilustrativos, en ambas figuras 10 y 11 se ha omitido representar un suporte superior dispuesto cubriendo todos los dispositivos, más concretamente en contacto con todas las capas aislantes eléctricamente dispuestas en la parte superior de cada dispositivo. Así, dicho soporte se ha omitido para proporcionar una vista de los detalles relativos a la disposición esquemática de los dispositivos termoeléctricos dando lugar a una configuración de generador termoeléctrico.For illustrative purposes, in both figures 10 and 11 it has been omitted to show an upper support arranged covering all the devices, more specifically in contact with all the electrically insulating layers arranged on the upper part of each device. Thus, said support has been omitted to provide a view of the details relating to the schematic arrangement of the thermoelectric devices giving rise to a thermoelectric generator configuration.
No obstante, se entenderá que en una configuración de montaje final existirá dicho soporte superior que cubre toda la parte superior del generador termoeléctrico estando en contacto con cada capa aislante eléctricamente superior de cada dispositivo, dicho soporte actuando como fuente de calor.However, it will be understood that in a final assembly configuration there will be said upper support that covers the entire upper part of the thermoelectric generator, being in contact with each upper electrically insulating layer of each device, said support acting as a heat source.
En las figuras de la presente solicitud los elementos no están representados a escala.In the figures of the present application the elements are not represented to scale.
La utilización de un sistema bicapa (el sistema formado por el sustrato y la lámina termoeléctrica) con diferentes conductividades térmicas y áreas transversales provoca que por cada par termoeléctrico (par de láminas tipo-n y tipo-p conectadas en serie) se genere más voltaje y menos intensidad de corriente en comparación con un generador de volumen comercial, dependiendo del área transversal de la lámina. Con independencia de esta reducción de la intensidad, es posible asegurar la ganancia de potencia optimizando el ratio entre áreas transversales de lámina y sustrato. Con el fin de compensar la menor intensidad de corriente en comparación con el mayor voltaje generado, los dispositivos termoeléctricos pueden conectarse en diferentes configuraciones en serie y en paralelo. De esta forma, dependiendo del número de pares termoeléctricos conectados en serie (responsables del voltaje total) y el número de elementos en serie conectados en paralelo (responsables de la intensidad de corriente eléctrica total), se puede controlar y optimizar la señal de salida en función de lo requerido. El conjunto de las conexiones en serie y en paralelo entre dispositivos termoeléctricos constituye el generador termoeléctrico.The use of a bilayer system (the system formed by the substrate and the thermoelectric foil) with different thermal conductivities and cross-sectional areas causes that for each thermoelectric pair (pair of n-type and p-type foils connected in series) more voltage is generated and less current compared to a commercial volume generator, depending on the cross-sectional area of the sheet. Regardless of this intensity reduction, it is possible to ensure power gain by optimizing the ratio between sheet and substrate cross-sectional areas. In order to compensate for the lower current compared to the higher generated voltage, thermoelectric devices can be connected in different series and parallel configurations. In this way, depending on the number of thermoelectric couples connected in series (responsible for the total voltage) and the number of elements in series connected in parallel (responsible for the total electric current), the output signal can be controlled and optimized in depending on what is required. The set of connections in series and in parallel between thermoelectric devices constitutes the thermoelectric generator.
Por otra parte, si el propio dispositivo termoeléctrico contiene cuatro o más láminas, dichas conexiones en serie y en paralelo pueden efectuarse dentro del propio dispositivo term oeléctrico , reso lv iendo de esta form a la m enor generación de in tensidad de corrien te y actuando cada d ispositivo term oeléctrico individual de la invención com o un par n-p com pleto en los generadores term oeléctricos com ercia les, m ostrando adem ás una m ayor generación de potencia total que éstos.On the other hand, if the thermoelectric device itself contains four or more sheets, said series and parallel connections can be made within the device itself. thermoelectric, resolving in this way the lower generation of current intensity and acting each individual thermoelectric device of the invention as a complete np pair in commercial thermoelectric generators, also showing More total power generation than these.
A m odo de ejem plo, si el ratio entre conductiv idades térm icas y espesores entre el sustra to y las lám inas es de 10, un d ispositivo term oeléctrico com o el de la realización de las figuras 5a-b, generará aproxim adam ente 10 veces más vo lta je y la m ism a in tensidad de corriente en com paración con un generador te rm oeléctrico que utilice el m ism o m ateria l con unas d im ensiones equ iva lentes al sus tra to -e s to es, un vo lum en 10 veces m ayor de m ateria l te rm oeléctrico que el u tilizado en la lám ina. En este m ism o e jem plo, e llo provocaría una ganancia de potencia en un facto r 10.By way of example, if the ratio between thermal conductivities and thicknesses between the substrate and the sheets is 10, a thermoelectric device like the one in the embodiment of figures 5a-b will generate approx. 10 times more voltage and the same current compared to a thermoelectric generator that uses the same material with dimensions equivalent to the substrate -that is, a 10 times greater volume of thermoelectric material than that used in the sheet. In this same example, this would cause a power gain of a factor of 10.
El área transversa l y el espesor de las lám inas vendrán dete rm inados por la aplicación y d im ensiones requeridas y por el ratio entre conductiv idades térm icas del material te rm oeléctrico y el sustrato. En una rea lización el espesor de la lám ina (ya sea ultradelgada, de lgada o gruesa) está com prend ido en el in tervalo de 1 nanóm etro a varios m ilím etros. Espesores de m ilím etros son adecuados para ap licaciones m acroscópicas, m ientras que espesores de m enos de 100 nanóm etros son adecuados en ap licaciones m in ia turizadas en las que se utilicen com o m ateria l te rm oeléctrico m ateria les 2D con buenas p restaciones term oeléctricas.The cross-sectional area and the thickness of the sheets will be determined by the application and required dimensions and by the ratio between the thermal conductivities of the thermoelectric material and the substrate. In one embodiment, the thickness of the sheet (whether ultrathin, thin, or thick) is in the range of 1 nanometer to several millimeters. Thicknesses of millimeters are suitable for macroscopic applications, while thicknesses of less than 100 nanometers are suitable in miniaturized applications in which 2D materials with 2D materials are used as thermoelectric material. good thermoelectric performance.
Los p rocesos de fabricación de los d ispositivos term oeléctricos y por consigu iente del generador te rm oeléctrico com pleto dependen de las ap licaciones (en térm inos de tem pera tura de los focos ca liente y frío y del flu jo de ca lor total), tam año, geom etría y otros requerim ientos.The manufacturing processes of the thermoelectric devices and consequently of the complete thermoelectric generator depend on the applications (in terms of temperature of the hot and cold sources and of the total heat flux ), size, geometry and other requirements.
- Lám inas delgadas y gruesas: Pueden em plearse técn icas com o la erosión catód ica (sputtering DC, m agnetrón) o deposic ión quím ica en fase vapor (chem ica l vapor deposition, CVD) para lám inas de 50 nm a decenas o centenares de m icras de espesor, y deposic ión en capas atóm icas (a tom ic layer deposition, ALD ) para lám inas de lgadas de espesor in ferio r a 50 nm. Estas técn icas perm iten el uso de m áscaras para m arcar el área de depósito, de form a que tanto el depósito de la lám ina de lgada com o de los contactos e léctricos se pueden hacer en procesos consecutivos. - Thin and thick films: Techniques such as cathodic erosion (DC sputtering, magnetron) or chemical vapor deposition (CVD) can be used for films from 50 nm to tens or hundreds of microns thick, and deposition in atomic layers (atom ic layer deposition, ALD) for thin sheets with a thickness of less than 50 nm. These techniques allow the use of masks to mark the deposit area, so that both the deposit of the thin sheet and the electrical contacts can be done in consecutive processes.
- Lám inas gruesas: En este caso pueden em plearse lám inas de pocas m ieras de a leaciones m etálicas que pueden pegarse sobre el sustrato con un pegam ento adecuado para soporta r adecuadam ente la fa tiga térm ica. Este m étodo de fabricación es especia lm ente in teresante para ap licaciones en las que se utilizan a leaciones m etálicas com o m ateria l term oeléctrico.- Thick sheets: In this case, sheets of few microns of metal alloys can be used that can be glued on the substrate with a suitable glue to adequately support thermal fatigue. This manufacturing method is especially interesting for applications in which metal alloys are used as thermoelectric material.
En un d ispositivo term oeléctrico o en un generador te rm oeléctrico según la invención pueden com binarse sustra tos y/o lám inas term oeléctricas de d iferentes m ateria les.In a thermoelectric device or in a thermoelectric generator according to the invention, substrates and/or thermoelectric sheets of different materials can be combined.
En una rea lización el sustra to com prende cuarzo, v id rio o cerám ica.In one embodiment, the substrate comprises quartz, glass, or ceramic.
En una rea lización la primera, segunda, te rcera y/o cuarta lám ina com prende al m enos uno de entre los sigu ientes m ateria les: un sem iconductor (com o la p irita (FeS 2 )), un trica lcogenuro (com o T iS 3 o Z rS 3 ), un sem im etal, una aleación m etálica con e levado coefic iente S eebeck (com o N i-C r o Ni-Cu), m ateria l 2D (com o fósforo negro) o SnSe. El SnSe es un m ateria l te rm oeléctrico con excelentes prestaciones.In one embodiment, the first, second, third, and/or fourth sheet comprises at least one of the following materials: a semiconductor (such as pyrite (FeS 2 )), a tricoalcogenide (such as T iS 3 or Z rS 3 ), a semi-metal, a metal alloy with a high Seebeck coefficient (such as N iC ro Ni-Cu), 2D material (such as black phosphor) or SnSe. SnSe is a thermoelectric material with excellent performance.
A m odo de e jem plo se presentan dos tab las con ratios de áreas transversa les optim izados para varias com binaciones de m etales, sem im eta les y a leaciones como m ateria les term oeléctricos y d iferentes sustra tos según el caso particu lar de una lám ina p lana d ispuesta sobre una única cara de un sustrato con geom etría de prism a (Tabla 1), y según el caso particu la r de una lám ina curva d ispuesta sobre un sustrato con geom etría cilíndrica (Tabla 2). En cada tab la los cuatro prim eros m ateria les term oeléctricos son m etales y los cuatro m ateria les restantes son sem im eta les y a leaciones.By way of example, two tables are presented with ratios of optimized cross-sectional areas for various combinations of metals, semi-metals and alloys such as thermoelectric materials and different substrates according to the particular case of a flat sheet arranged on a single face of a substrate with a prism geometry (Table 1), and depending on the particular case, a curved sheet arranged on a substrate with cylindrical geometry (Table 2) . In each table the first four thermoelectric materials are metals and the remaining four materials are semi-metals and alloys.
En el caso del sustra to con geom etría de prism a y lám ina con geom etría p lana (Tabla 1), si la anchura de la lám ina es igual a la anchura del sustrato sobre el que se encuentra d ispuesta, la re lación entre áreas transversa les de lám ina y sustrato depende exclus ivam ente de la re lación entre espesores de lám ina y sustrato. En los casos de la Tab la 1 el ratio de áreas transversa les (o de espesores) se ha dete rm inado en función de las conductiv idades térm icas como:In the case of the substrate with prism geometry and sheet with planar geometry (Table 1), if the width of the sheet is equal to the width of the substrate on which it is arranged, the relationship between cross-sectional areas of sheet and substrate depend exclusively on the relationship between thickness of sheet and substrate. In the cases of Table 1, the ratio of cross-sectional areas (or thicknesses) has been determined based on the thermal conductivities as:
A -s u b & kA-s u b & k
A d Ksub A d Ksub
siendo Asub el área transversal de sustrato, A el área transversal de la lámina, K la where Asub is the cross-sectional area of the substrate, A is the cross-sectional area of the sheet, and K is the
conductividad térmica de la lámina, Ksub la conductividad térmica del sustrato, a el thermal conductivity of the sheet, Ksub the thermal conductivity of the substrate, to the
espesor del sustrato y d el espesor de la lámina.thickness of the substrate and d the thickness of the sheet.
En el caso del sustrato con geometría cilindrica y lámina con geometría curva (Tabla 2), la lámina está dispuesta sobre el sustrato a lo largo de un arco de sustancialmente 360°. En los casos de la Tabla 2 el ratio de áreas transversales se ha determinado en función de las conductividades térmicas como:In the case of the substrate with cylindrical geometry and sheet with curved geometry (Table 2), the sheet is arranged on the substrate along an arc of substantially 360°. In the cases of Table 2, the ratio of cross-sectional areas has been determined based on the thermal conductivities as:
siendo Asub el área transversal de sustrato, A el área transversal de la lámina, K la where Asub is the cross-sectional area of the substrate, A is the cross-sectional area of the sheet, and K is the
conductividad térmica de la lámina, Ksub la conductividad térmica del sustrato, Rsub el thermal conductivity of the foil, Ksub the thermal conductivity of the substrate, Rsub the
radio del, y RT el radio total del conjunto cilíndrico formado por el sustrato y la lámina.radius of the, and RT the total radius of the cylindrical assembly formed by the substrate and the sheet.
Los cambios cuantitativos en los ratios de las áreas transversales entre ambas geometrías se derivan de las ecuaciones indicadas para dichas geometrías y proporcionan una guía para la elección de materiales y geometrías según los requerimientos de la aplicación concreta.The quantitative changes in the ratios of the cross-sectional areas between both geometries are derived from the equations indicated for said geometries and provide a guide for the choice of materials and geometries according to the requirements of the specific application.
En las tablas 1 y 2 se representa la conductividad térmica (K), conductividad eléctrica (a) y coeficiente de Seebeck (S) del material termoeléctrico, la conductividad térmica (KSUb) del sustrato y el ratio de áreas transversales optimizado para las distintas combinaciones de material termoeléctrico y material del sustrato.Tables 1 and 2 show the thermal conductivity (K), electrical conductivity (a) and Seebeck coefficient (S) of the thermoelectric material, the thermal conductivity ( KSUb ) of the substrate and the ratio of cross-sectional areas optimized for the different combinations. of thermoelectric material and substrate material.
Se puede apreciar que la utilización de metales permite una mayor reducción del área transversal de la lámina, especialmente interesante para miniaturización de dispositivos y utilización de técnicas de depósito de láminas antes mencionadas. Por otra parte, semimetales y aleaciones como Ni-Cr y Ni-Cu permiten mayores áreas transversales de la lámina en comparación con el área transversal del sustrato y, por tanto, métodos de fabricación mediante el pegado de dicha lámina sobre el sustrato. Otros semimetales como CoS2 o aleaciones CoFe también ofrecen buenos valores del factor de potencia.It can be seen that the use of metals allows a greater reduction of the cross-sectional area of the sheet, especially interesting for miniaturization of devices and use of the aforementioned sheet deposit techniques. On the other hand, semi-metals and alloys such as Ni-Cr and Ni-Cu allow larger cross-sectional areas of the sheet compared to the cross-sectional area of the substrate and, therefore, manufacturing methods by gluing said sheet onto the substrate. Other semi-metals such as CoS2 or CoFe alloys also offer good power factor values.
Los ratios de espesores mostrados en la tabla 1 pueden variar dependiendo del tipo de dispositivo termoeléctrico. Los valores de la tabla 1 se han estimado con la configuración de unidad básica de la figura 2, si bien para las unidades básicas de las figuras 5 y 6 bastaría con dividir por 2 y por 4, respectivamente, los espesores de las láminas en una primera aproximación.The thickness ratios shown in table 1 may vary depending on the type of thermoelectric device. The values in table 1 have been estimated with the configuration of the basic unit in figure 2, although for the basic units in figures 5 and 6 it would suffice to divide by 2 and 4, respectively, the thicknesses of the sheets in a first approximation.
Tabla 1Table 1
Tabla 2 Table 2
El d ispositivo term oeléctrico y el generador te rm oeléctrico de la presente invención pueden im plem entarse en una am plia variedad de aplicaciones, con d im ensionam ientos m uy variables. En todas estas ap licaciones el generador te rm oeléctrico es un sistem a pasivo de recuperación y aprovecham ien to de pérd idas térm icas. Así, el generador te rm oeléctrico puede se r im plem entado por e jem plo en las s igu ientes aplicaciones:The thermoelectric device and the thermoelectric generator of the present invention can be implemented in a wide variety of applications, with very variable dimensioning. In all these applications, the thermoelectric generator is a passive system for the recovery and use of thermal losses. Thus, the thermoelectric generator can be implemented for example in the following applications:
- A p licac iones Macro: hornos, motores, tuberías en industria, tubos de escape o ch im eneas. En estas ap licaciones es venta joso el uso de sem im eta les y a leaciones tipo N i-Cu y Ni-Cr, sem iconductores baratos y/o m ateria les term oeléctricos convenciona les en form ato de lám ina. Así m ism o, el generador te rm oeléctrico es adecuado tam bién para su uso en ap licaciones menos com unes, com o aplicaciones superfic ia les y de poco espeso r (u tilización de superfic ies pasivas, com o paredes).- Macro applications: ovens, motors, industrial pipes, exhaust pipes or chimneys. In these applications, the use of semi-metals and alloys of the Ni-Cu and Ni-Cr type, cheap semiconductors and/or conventional thermoelectric materials in sheet format is advantageous. Likewise, the thermoelectric generator is also suitable for use in less common applications, such as superficial and thin applications (use of passive surfaces, such as walls).
- A p licac iones Micro: d ispositivos e lectrón icos. A dem ás de los m ateria les anteriores, el uso de m etales puede se r una buena opción al se r m ayor el ratio de áreas transversa les entre sustra to y lám ina de m ateria l term oeléctrico. Así m ism o, una posib le ap licación es el uso del generador te rm oeléctrico en tecno logía portab le (“wearable”), en la que d ispositivos term oeléctricos sacan venta ja de la d iferencia de tem pera tura entre la piel y el am biente para la a lim entación de d ispositivos e lectrón icos de baja potencia.- Micro applications: electronic devices. In addition to the above materials, the use of metals may be a good option due to the higher ratio of cross-sectional areas between the substrate and the sheet of thermoelectric material. Likewise, a possible application is the use of the thermoelectric generator in portable technology (“ wearable”), in which thermoelectric devices take advantage of the difference in temperature between the skin and the environment for powering low-power electronic devices.
- A p licac iones Nano: d ispositivos e lectrón icos. En estas ap licaciones es venta joso el uso de m ateria les 2D com o m ateria les term oeléctricos para la im plem entación del generador te rm oeléctrico en d ispositivos nanom étricos. Un e jem plo sería la ap licación para el aprovecham ien to de ca lo r residual en m icroprocesadores. - Nano applications: electronic devices. In these applications it is advantageous to use 2D materials as thermoelectric materials for the implementation of the thermoelectric generator in nanometer devices. An example would be the application for the use of residual heat in microprocessors.
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| ES202130571A Active ES2931217B2 (en) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | THERMOELECTRIC DEVICE AND GENERATOR |
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Citations (2)
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-
2021
- 2021-06-18 ES ES202130571A patent/ES2931217B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2843720A1 (en) * | 2012-04-27 | 2015-03-04 | LINTEC Corporation | Thermoelectric conversion material and method for manufacturing same |
| WO2018163958A1 (en) * | 2017-03-08 | 2018-09-13 | 三菱マテリアル株式会社 | Thermoelectric conversion module and method for manufacturing same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FLEURIAL J-P ET AL. Development of Segmented Thermoelectric Multicouple Converter Technology. 2006 IEEE Aerospace Conference; Big Sky, Montana; March 4 - 11, 2006, 20060304; 20060304 - 20060311 IEEE Operations Center, Piscataway, NJ. , 04/03/2006, Páginas 1 - 10 ISBN 978-0-7803-9545-9 ; ISBN 0-7803-9545-X, (DOI: 10.1109/AERO.2006.1656006) * |
Also Published As
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| BA2A | Patent application published |
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Ref document number: 2931217 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20240103 |