ES1287834U - Thermoelectric module for the use of residual heat - Google Patents
Thermoelectric module for the use of residual heat Download PDFInfo
- Publication number
- ES1287834U ES1287834U ES202200054U ES202200054U ES1287834U ES 1287834 U ES1287834 U ES 1287834U ES 202200054 U ES202200054 U ES 202200054U ES 202200054 U ES202200054 U ES 202200054U ES 1287834 U ES1287834 U ES 1287834U
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- heat
- thermoelectric
- sensor
- thermoelectric module
- base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims description 3
- 239000002470 thermal conductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 2
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 1
- 230000005680 Thomson effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009432 framing Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- 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
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residualThermoelectric module for the use of residual heat
Sector técnico de la invenciónTechnical sector of the invention
La presente invención se refiere un módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías o superficies industriales, las cuales actúan como fuente de calor.The present invention refers to a thermoelectric module for the use of residual heat, specially adapted to be installed on pipes or industrial surfaces, which act as a heat source.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Durante muchos años se ha abusado de los combustibles fósiles como medio para la obtención de energía dando lugar a consecuencias severas como el calentamiento global del mundo que habitamos. Los combustibles fósiles son finitos y para su obtención, extracción, transformación o explotación se generan entre otros inconvenientes, emisiones de gases nocivos para el medio ambiente y los seres vivos.Fossil fuels have been abused for many years as a means of obtaining energy, leading to severe consequences such as global warming of the world we inhabit. Fossil fuels are finite and to obtain, extract, transform or exploit them, among other inconveniences, emissions of gases harmful to the environment and living beings are generated.
En la actualidad, los seres humanos se están concienciando cada vez más sobre la necesidad de proteger el medio ambiente, investigando y desarrollando otras fuentes de energía, como las fuentes de energías renovables. Además de, por ejemplo, usar de un modo más inteligente y sostenible la energía, evitando despilfarros de consumo, haciendo más eficientes los equipos para consumir menos; se empiezan a implantar este tipo de fuentes renovables como la energía solar, la eólica, geotérmica y otras.Nowadays, human beings are becoming more and more aware of the need to protect the environment, researching and developing other energy sources, such as renewable energy sources. In addition to, for example, using energy in a more intelligent and sustainable way, avoiding wasteful consumption, making equipment more efficient to consume less; This type of renewable sources such as solar energy, wind power, geothermal energy and others are beginning to be implemented.
Entre este tipo de desarrollos para optimizar los recursos enérgicos, una de las tecnologías emergentes, hoy en día, y que aborda la presente invención es la termoelectricidad. Como su nombre indica, la termoelectricidad es una rama de la física en la que se estudia la transformación directa de energía térmica a eléctrica o viceversa. Aunque ya hace años, más de 180 años atrás, que se descubrió, ahora recobra más interés por su aplicación y explotación para la optimización de recursos energéticos.Among this type of developments to optimize energy resources, one of the emerging technologies, today, and addressed by the present invention is thermoelectricity. As its name indicates, thermoelectricity is a branch of physics in which the direct transformation of thermal energy to electrical energy or vice versa is studied. Although it was discovered years ago, more than 180 years ago, it is now regaining more interest in its application and exploitation for the optimization of energy resources.
Principalmente, el interés de la termoelectricidad es debido a su capacidad de convertir el calor residual en energía eléctrica susceptible de ser fuente de energía para otros usos. El calor residual es aquel que se desperdicia de algún proceso industrial o no y que no es aprovechado posteriormente, sino que es emitido al medio ambiente. Posee una utilidad a priori menor que la fuente de energía original y se puede considerar un calor de bajo nivel energético y aquí es donde la termoelectricidad se plantea como una prometedora tecnología para recuperar el calor perdido y aumentar el rendimiento. Evitando un residuo que es perjudicial para el medioambiente.Mainly, the interest of thermoelectricity is due to its ability to convert residual heat into electrical energy that can be a source of energy for other uses. Residual heat is the one that is wasted from some industrial process or not and that is not used later, but is emitted into the environment. It has a priori lower utility than the original energy source and can be considered a low energy level heat and this is where thermoelectricity is considered as a promising technology to recover lost heat and increase performance. Avoiding a waste that is harmful to the environment.
El pionero de la termoelectricidad fue el científico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 1831). En 1822 resumió los resultados de sus experimentos en el artículo "The Magnetic Polarization of Metal and Ores Produced by Temperature Difference”. Seebeck experimentó cómo la aguja de una brújula se desviaba si se colocaba en los alrededores de un circuito cerrado formado por dos conductores cuando una de sus uniones era calentada. Erróneamente concluyó que la interacción era debida a un fenómeno magnético, y continuando con esta creencia, intentó relacionar el magnetismo de la tierra con la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos. Aunque no consiguió definir correctamente el efecto, Seebeck investigó el fenómeno en un gran número de materiales, incluyendo algunos de los que hoy conocemos como semiconductores. The pioneer of thermoelectricity was the German scientist Thomas Johann Seebeck (1770 1831). In 1822 he summarized the results of his experiments in the article "The Magnetic Polarization of Metal and Ores Produced by Temperature Difference". Seebeck experienced how the needle of a compass deflected if it was placed in the vicinity of a closed circuit formed by two conductors when one of their joints was heated. He erroneously concluded that the interaction was due to a magnetic phenomenon, and continuing with this belief, he tried to relate the magnetism of the earth to the difference in temperature between the equator and the poles. Although he was unable to correctly define the Indeed, Seebeck investigated the phenomenon in a large number of materials, including some of what we now know as semiconductors.
Años más tarde, el efecto Peltier fue descubierto en 1834, este es el efecto complementario del efecto Seebeck. Este efecto ocurre cuando una corriente pasa a través de un circuito con dos conductores distintos; dependiendo de la dirección de la corriente, la unión de los dos conductores puede liberar calor o absorber calor. Este efecto fue descubierto por el físico francés Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Como Seebeck, Peltier interpretó mal los resultados de su investigación ya que falló en la evaluación de los fundamentos de sus observaciones o en relacionar el efecto a los hallazgos de Seebeck. Solo en 1838 Emily Lenz (1804-1865) probó que el efecto Peltier era un fenómeno físico autónomo, que consistía en liberar o absorber calor adicional en la unión de los conductores cuando una corriente pasaba a través de ellos y lo demostró congelando agua y volviendo a derretir el hielo al revertir la dirección de la corriente.Years later, the Peltier effect was discovered in 1834, this is the complementary effect of the Seebeck effect. This effect occurs when a current passes through a circuit with two different conductors; depending on the direction of the current, the junction of the two conductors can either release heat or absorb heat. This effect was discovered by the French physicist Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Like Seebeck, Peltier misinterpreted the results of his research by failing to assess the basis for his observations or to relate the effect to Seebeck's findings. Only in 1838 did Emily Lenz (1804-1865) prove that the Peltier effect was an autonomous physical phenomenon, consisting of releasing or absorbing additional heat at the junction of conductors when a current passed through them, and she demonstrated this by freezing water and returning melt the ice by reversing the direction of the current.
20 años más tarde, William Thomson escribió una exhaustiva explicación de los efectos Seebeck y Peltier y describió la relación entre estos. Además, predijo la existencia de un tercer efecto termoeléctrico, el efecto Thomson, que secuenció observando experimentalmente. Este efecto relaciona el calentamiento o enfriamiento en un conductor homogéneo en presencia de un gradiente de temperatura cuando una corriente lo atraviesa.Twenty years later, William Thomson wrote a comprehensive explanation of the Seebeck and Peltier effects and described the relationship between them. Furthermore, he predicted the existence of a third thermoelectric effect, the Thomson effect, which he sequenced by observing experimentally. This effect relates the heating or cooling in a homogeneous conductor in the presence of a temperature gradient when a current passes through it.
Los descubrimientos desencadenaron el desarrollo de un nuevo campo de la ingeniería, la ingeniería de la energía térmica, que estudia los procesos de conversión de energía térmica en energía eléctrica (Efecto Seebeck) y la calefacción y refrigeración termoeléctricas (Efecto Peltier).The discoveries triggered the development of a new field of engineering, thermal energy engineering, which studies the processes of converting thermal energy into electrical energy (Seebeck Effect) and thermoelectric heating and cooling (Peltier Effect).
A mitad del siglo XX, la termoelectricidad resurge debido al descubrimiento de semiconductores sintéticos con coeficientes de Seebeck elevados. Pero los semiconductores no mejoraban en comparación con los metales, por lo que el interés decayó. No fue hasta los 50, donde se obtienen semiconductores compuestos, obteniendo mejoras termoeléctricas y estimulando las posibles aplicaciones militares.In the middle of the 20th century, thermoelectricity resurfaces due to the discovery of synthetic semiconductors with high Seebeck coefficients. But semiconductors were no better than metals, so interest waned. It was not until the 1950s, where compound semiconductors were obtained, obtaining thermoelectric improvements and stimulating possible military applications.
A principio de los años 60, la exploración espacial, así como la exploración de recursos terrestres en lugares hostiles, requirió fuentes de energía eléctrica autónomas. La termoelectricidad se presenta como una tecnología ideal para estos casos, ya que la ausencia de partes móviles, su fiabilidad y su operación silenciosa contrarresta su coste relativamente alto y su baja eficiencia. Por ello, se desarrollaron generadores alimentados por radioisótopos para el programa espacial Apolo y para comunicaciones con la luna, de los que derivarían la mayoría de los materiales utilizados en la mayoría de los generadores comerciales actuales. In the early 1960s, space exploration, as well as exploration of terrestrial resources in hostile locations, required autonomous electrical power sources. Thermoelectricity is presented as an ideal technology for these cases, since the absence of moving parts, its reliability and its silent operation offset its relatively high cost and low efficiency. For this reason, generators powered by radioisotopes were developed for the Apollo space program and for communications with the moon, from which most of the materials used in most current commercial generators would be derived.
En la actualidad ha habido un gran incremento en la investigación termoeléctrica debido a la búsqueda de alternativas energéticas para la producción en escala. Hoy en día se fabrican generadores termoeléctricos (conocidos como TEG por su sigla en inglés: Thermo Electric Generator) con diversos materiales semiconductores y con resultados variados.Currently there has been a great increase in thermoelectric research due to the search for energy alternatives for scale production. Today, thermoelectric generators (known as TEGs) are made from a variety of semiconducting materials with varying results.
Un generador termoeléctrico está compuesto por uno o varios módulos termoeléctricos. Los módulos termoeléctricos o celdas Peltier (nombre comercial) convierten directamente calor en electricidad. El calor induce la circulación de una corriente eléctrica al fluir desde una fuente de calor a través del generador termoeléctrico (termogenerador).A thermoelectric generator is made up of one or several thermoelectric modules. Thermoelectric modules or Peltier cells (trade name) directly convert heat into electricity. Heat induces the circulation of an electrical current by flowing from a heat source through the thermoelectric generator (thermogenerator).
Para generar electricidad mediante el efecto termoeléctrico se necesita una celda Peltier y un diferencial de temperatura entre ambas caras de la misma. Dado que la energía eléctrica generada, es proporcional a la energía térmica que atraviesa la celda, por lo qué, las fuentes calientes y fría tienen que aportar y disipar calor continuamente para mantener esa diferencia térmica. To generate electricity through the thermoelectric effect, a Peltier cell and a temperature differential between both sides of it are needed. Since the electrical energy generated is proportional to the thermal energy that passes through the cell, therefore, the hot and cold sources have to continuously supply and dissipate heat to maintain that thermal difference.
Una celda Peltier está formado por dos placas cerámicas que sirven como base de los termopares o termoelementos (tipo P y tipo N) de materiales semiconductores, además proporciona estabilidad mecánica y sirve como aislante eléctrico.A Peltier cell is made up of two ceramic plates that serve as the base of the thermocouples or thermoelements (type P and type N) made of semiconductor materials, it also provides mechanical stability and serves as an electrical insulator.
Un módulo convencional está formado de varios pares termoeléctricos (elementos semiconductores con dopaje P y N), conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo en donde quedan huecos libres, quedando ambos semiconductores conectados a través de uniones metálicas de alta conductividad eléctrica. Una celda Peltier está formada por entre 100 y 600 termoelementos.A conventional module is made up of several thermoelectric pairs (semiconductor elements with P and N doping), electrically connected in series and thermally in parallel where there are free gaps, leaving both semiconductors connected through metallic bonds with high electrical conductivity. A Peltier cell is made up of between 100 and 600 thermoelements.
Estos módulos son silenciosos, no presentan partes móviles y no precisan de mantenimiento. Además, su tamaño y peso son bajos y pueden utilizarse para un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, presentan una desventaja importante, su baja eficiencia.These modules are silent, have no moving parts and do not require maintenance. In addition, its size and weight are low and can be used for a wide range of temperatures. However, they present an important disadvantage, their low efficiency.
Esta eficiencia está ligada a los materiales semiconductores que forman los pares termoeléctricos y hoy en día se investiga para su mejora, pero el proceso es lento. Por ello, para incrementar el rendimiento se tiene que optimizar los sistemas de intercambio de calor que se encuentran en ambas caras de la celda para aumentar la potencia eléctrica generada. Esto se logra en parte conforme la temperatura del foco frio o de calor sean similares a las temperaturas de las fuentes de origen.This efficiency is linked to the semiconductor materials that form the thermoelectric couples and research is currently being carried out to improve it, but the process is slow. Therefore, to increase performance, the heat exchange systems found on both sides of the cell must be optimized to increase the electrical power generated. This is achieved in part as the temperature of the hot or cold source is similar to the source temperatures.
Con objeto de ofrecer una alternativa más eficiente, el presente titular ya ideó una solución descrita en la solicitud de patente P202100024. De todos modos, se hace necesaria una solución más específica para tuberías industriales.In order to offer a more efficient alternative, the present owner has already devised a solution described in patent application P202100024. In any case, a more specific solution for industrial pipes is necessary.
Teniendo en cuenta el estado de la técnica actual, es objetivo de la presente invención conseguir un módulo termoeléctrico que sea capaz de acoplarse mejor a las tuberías industriales y generar la energía suficiente para alimentar dispositivos electrónicos o sensores industriales aprovechando el calor residual de la propia máquina o proceso que se desea monitorizar.Taking into account the current state of the art, the objective of the present invention is to achieve a thermoelectric module that is capable of better coupling to industrial pipes and generating enough energy to power electronic devices or industrial sensors, taking advantage of the residual heat of the machine itself. or process you want to monitor.
Explicación de la invenciónExplanation of the invention
Con el objeto de aportar una solución técnica para el aprovechamiento del calor industrial, en especial para tuberías industriales, y la creciente necesidad de monitorizar diversos parámetros del funcionamiento de las máquinas y los procesos en la industria; se da a conocer un módulo termoeléctrico para el aprovechamiento del calor residual especialmente adaptado para instalarse sobre tuberías, conductos y superficies de la industria, que comprende al menos unos medios de captación del calor, unos medios de generación de energía y unos medios de disipación del calor. Que con la electrónica asociada que se presentará más adelante permite esta monitorización sin necesidad de cableado ni baterías.In order to provide a technical solution for the use of industrial heat, especially for industrial pipes, and the growing need to monitor various parameters of the operation of machines and processes in the industry; A thermoelectric module for the use of residual heat is disclosed, specially adapted to be installed on pipes, ducts and industrial surfaces, comprising at least some means for capturing heat, some means for generating energy and some means for dissipating heat. heat. That with the associated electronics that will be presented later, allows this monitoring without the need for wiring or batteries.
En esencia, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque los medios de captación de calor comprenden al menos un captador inferior de calor formado esencialmente por una pieza arqueada de un material conductor térmico adaptado para contactar por su cara interior con la superficie de una fuente de calor externa al módulo termoeléctrico, un captador superior de calor formado esencialmente por una pieza piramidal en cono invertido de un material conductor térmico adaptado para contactar por su base inferior con el captador inferior y por su cara superior con los medios de disipación del calor, y un fijador adaptado para sujetar de forma sólida el citado captador inferior a la tubería de la fuente de calor; los medios de generación de energía, adaptados para la transformación de calor en energía eléctrica, comprenden al menos un generador termoeléctrico situado entre el captador superior y los medios de disipación de calor; y los medios de disipación de calor comprenden al menos una base acoplada al captador superior y un disipador con una pluralidad de aletas para disipar el máximo calor posible del que proviene del generador termoeléctrico, al que está acoplado a través de dicha base.In essence, the thermoelectric module is characterized in that the heat capture means comprise at least one lower heat collector formed essentially by an arched piece of a thermally conductive material adapted to contact the surface of an external heat source on its inner face. to the thermoelectric module, an upper heat sensor formed essentially by a pyramidal piece in an inverted cone of a thermal conductive material adapted to come into contact at its lower base with the lower sensor and at its upper face with the heat dissipation means, and a fastener adapted to solidly hold said lower collector to the heat source pipe; the power generation means, adapted for the transformation of heat into electrical energy, comprise at least one thermoelectric generator located between the upper collector and the heat dissipation media; and the heat dissipation means comprise at least one base coupled to the upper collector and a dissipator with a plurality of fins to dissipate as much heat as possible from the thermoelectric generator, to which it is coupled through said base.
De forma ventajosa, al disponerse dicho módulo termoeléctrico sobre una tubería o superficie, se consigue aprovechar el calor residual de la misma, para la generación de energía eléctrica susceptible de ser utilizada en otros dispositivos. Mediante esta configuración, se consigue aumentar la superficie de captación a partir del captador inferior y se aprovecha más eficientemente en los medios de generación de energía gracias al captador superior. Complementariamente, con la base y el disipador de los medios de disipación, se consigue un módulo más eficiente que consigue optimizar mejor la energía calorífica que obtiene de la tubería para transformarse en energía eléctrica para su consumo en otros usos o servicios, todo ello incrementando la eficiencia energética del conjunto.Advantageously, by disposing said thermoelectric module on a pipe or surface, it is possible to take advantage of its residual heat, for the generation of electrical energy that can be used in other devices. By means of this configuration, it is possible to increase the collection surface from the lower collector and it is used more efficiently in the power generation means thanks to the upper collector. In addition, with the base and the dissipation means dissipator, a more efficient module is achieved that manages to better optimize the heat energy obtained from the pipe to be transformed into electrical energy for consumption in other uses or services, all of this increasing the overall energy efficiency.
Según otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende entre el captador inferior y el captador superior un componente de un material térmico especialmente adaptado para reducir la resistencia térmica por contacto entre ambos. According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises, between the lower sensor and the upper sensor, a component of a thermal material specially adapted to reduce the thermal resistance due to contact between the two.
Este componente se contempla que pueda ser de un material esencialmente formado de estaño y tenga una forma esencialmente de arandela plana.This component is contemplated to be of a material essentially formed of tin and to have an essentially flat washer shape.
De acuerdo con otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende entre el disipador y la base un componente de material térmico especialmente adaptado para reducir la resistencia térmica por contacto entre ambos. Este componente se contempla que pueda ser de un material esencialmente formado de estaño y tenga una forma esencialmente de arandela plana.According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises, between the heat sink and the base, a component of thermal material specially adapted to reduce the thermal resistance due to contact between the two. This component is contemplated to be of a material essentially formed of tin and to have an essentially flat washer shape.
Ventajosamente, mediante este componente, se consigue reducir la resistencia térmica por contacto con lo que la transmisión de la temperatura es más eficiente mejorando el rendimiento de este módulo termoeléctrico al favorecerse la transferencia de calor.Advantageously, by means of this component, it is possible to reduce the thermal resistance by contact, so that the transmission of temperature is more efficient, improving the performance of this thermoelectric module by favoring heat transfer.
Según una realización preferida de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque el generador termoeléctrico tiene al menos una celda termogeneradora, cuya cara caliente contacta con el captador superior y su cara fría con la base de los medios de disipación, conduciéndose así la energía térmica entre el conducto caliente y el generador termoeléctrico. Dicha celda, o como se conoce en el sector dicha celda TEG, consigue, a partir de un diferencial de temperatura que se genera entre sus superficies opuestas, la que contacta con el captador y la que contacta con el disipador, una energía térmica que puede convertirse en energía eléctrica.According to a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the thermoelectric generator has at least one thermogenerator cell, whose hot face contacts the upper sensor and its cold face contacts the base of the dissipation means, thus conducting thermal energy between the hot duct and the thermoelectric generator. Said cell, or as said TEG cell is known in the sector, achieves, from a temperature differential generated between its opposite surfaces, the one that contacts the sensor and the one that contacts the heat sink, a thermal energy that can convert into electrical energy.
De acuerdo con otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque el disipador está provisto de una pluralidad de aletas verticales con bifurcaciones para aumentar la superficie de contacto con el entorno, permitiendo una eliminación más rápida del calor excedente por medio de convección natural.According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the heat sink is provided with a plurality of vertical fins with forks to increase the contact surface with the environment, allowing a faster elimination of excess heat by means of natural convection. .
Según otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque la base de los medios de disipación está formada por un cono invertido adaptado para concentrar el flujo de una superficie mayor, la del captador superior, a una menor, el disipador. According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the base of the dissipation means is formed by an inverted cone adapted to concentrate the flow from a larger surface, that of the upper collector, to a smaller one, the dissipator.
En una realización preferida de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende un elastómero entre el captador superior de los medios de captación y la base de los medios de disipación y que rodea el generador termoeléctrico.In a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises an elastomer between the upper sensor of the sensor means and the base of the dissipation means and which surrounds the thermoelectric generator.
De forma ventajosa, este elastómero además de trabajar como elemento de estanqueidad, tiene dos funciones más: por un lado, debe evitar que el calor procedente del captador superior llegue a la base del disipador y lo contamine empeorando su funcionamiento; y, por otro lado, tiene el objetivo de encuadrar el montaje de dicho generador termoeléctrico y fijar su posición entre los medios de captación y los medios de disipación.Advantageously, this elastomer, in addition to working as a sealing element, has two other functions: on the one hand, it must prevent the heat from the upper collector from reaching the base of the heatsink and contaminating it, worsening its operation; and, on the other hand, it has the purpose of framing the assembly of said thermoelectric generator and fixing its position between the collection means and the dissipation means.
Según otra característica de la invención, el módulo termoeléctrico se caracteriza porque comprende una caja electrónica susceptible de alojar en su interior la electrónica encargada de gestiona la energía eléctrica procedente del generador termoeléctrico, susceptible de adquirir los datos del sensor, y enviar los datos usando comunicaciones inalámbricas de largo alcance. De forma ventajosa, se consigue con este módulo termoeléctrico de la invención poder monitorizar cualquier máquina sin aportación de energía al utilizarse el calor residual de la propia máquina u otras fuentes residuales del entorno donde se aplica dicho módulo.According to another characteristic of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises an electronic box capable of housing inside it the electronics in charge of managing the electrical energy from the thermoelectric generator, capable of acquiring data from the sensor, and sending the data using communications long range wireless Advantageously, with this thermoelectric module of the invention it is possible to monitor any machine without supplying energy by using the residual heat of the machine itself or other residual sources of the environment where said module is applied.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que se ilustra, a título de ejemplo y no limitativo, un modo de realización del módulo termoeléctrico de la invención. En concreto, se representa lo siguiente:In order to complete the description that is being made and in order to facilitate the understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is attached to this description, which illustrates, by way of example and not limitation, a way of embodiment of the thermoelectric module of the invention. Specifically, the following is represented:
la Fig. 1 es una vista esquemática del despiece de un módulo termoeléctrico según la invención;Fig. 1 is a schematic exploded view of a thermoelectric module according to the invention;
las Figs. 2 y 3 son sendas vistas en perspectiva de un módulo termoeléctrico según la invención acoplado a una tubería; yFigs. 2 and 3 are perspective views of a thermoelectric module according to the invention coupled to a pipe; and
la Fig. 4 es una vista esquemática en sección del módulo termoeléctrico según la invención y donde se representan los flujos de temperatura.Fig. 4 is a schematic sectional view of the thermoelectric module according to the invention and where the temperature fluxes are represented.
Descripción detallada de un modo de realizaciónDetailed description of an embodiment
Las Figs. 2 y 3 presentan un módulo termoeléctrico 1 para el aprovechamiento del calor residual instalado sobre una tubería 3 industrial. Para facilitar la comprensión de los elementos que lo componen se puede consultar el despiece de la Fig. 1. También, para mejorar la comprensión de la invención al lector, se representa en la Fig. 4 una vista en sección del módulo termoeléctrico 1 dibujándose diferentes líneas que indican el flujo del intercambio de temperaturas.Figs. 2 and 3 present a thermoelectric module 1 for the use of residual heat installed on an industrial pipe 3. To facilitate the understanding of the elements that compose it, the exploded view of Fig. 1 can be consulted. Also, to improve the reader's understanding of the invention, Fig. 4 shows a sectional view of the thermoelectric module 1, drawing different lines indicating the flow of temperature exchange.
El citado módulo termoeléctrico 1 comprende unos medios de captación del calor 2, unos medios de generación 4 de energía y unos medios de disipación del calor 5.Said thermoelectric module 1 comprises heat capture means 2, power generation means 4 and heat dissipation means 5.
Los medios de captación del calor 2 comprenden un captador inferior 21, un captador superior 22 y un fijador 23. El captador inferior 21 de calor está formado por una pieza esencialmente arqueada de un material conductor térmico para contactar por su cara interior con la superficie de la fuente de calor externa al módulo termoeléctrico 1: en este caso, la tubería 3. La forma arqueada del captador inferior 21 facilita el acoplamiento con la forma de la tubería 3. El captador superior 22 de calor está formado por una pieza esencialmente piramidal en cono invertido de un material conductor térmico que contacta por su base inferior con el captador inferior 21 y por su cara superior con los medios de disipación de calor 5. El fijador 23 sujeta de forma sólida el citado captador inferior 21, y por ende al conjunto del citado módulo termoeléctrico 1, a la tubería 3 que en este ejemplo es la fuente de calor externa que aprovecha el módulo para transformar en energía eléctrica. El fijador 23 del ejemplo dibujado consiste en dos cintas que rodean la tubería 3 y quedan ajustadas al captador inferior 21. Se contempla que las citadas cintas o similares del fijador 23 puedan disponer de medios de apriete o medios de blocaje con o sin medios de seguridad como candados o similares.The heat capture means 2 comprise a lower collector 21, an upper collector 22 and a fixator 23. The lower heat collector 21 is formed by an essentially arched piece of a thermally conductive material to contact its inner face with the surface of the external heat source to the thermoelectric module 1: in this case, the pipe 3. The arched shape of the lower collector 21 facilitates coupling with the shape of the pipe 3. The upper heat collector 22 is formed by an essentially pyramidal piece in inverted cone made of a thermally conductive material that contacts the collector at its lower base bottom 21 and on its top face with heat dissipation means 5. Fixer 23 solidly holds said lower sensor 21, and therefore the assembly of said thermoelectric module 1, to pipe 3, which in this example is the external heat source used by the module to transform into electrical energy. The fastener 23 of the drawn example consists of two straps that surround the pipe 3 and are adjusted to the lower sensor 21. It is contemplated that the aforementioned straps or the like of the fastener 23 may have tightening means or locking means with or without safety means such as padlocks or the like.
Los medios de generación 4 de energía, que tiene la misión de transformar el calor obtenido en energía eléctrica, comprenden un generador termoeléctrico 41 situado entre el captador superior 22 y los medios de disipación del calor 5.The power generation means 4, whose mission is to transform the heat obtained into electrical energy, comprise a thermoelectric generator 41 located between the upper sensor 22 and the heat dissipation means 5.
Los medios de disipación del calor 5 comprenden una base 51 acoplada al captador superior 22 y un disipador 51 con una pluralidad de aletas 52 para absorber el máximo calor posible que proviene del generador termoeléctrico 41 al que está acoplado a través de dicha base 51.The heat dissipation means 5 comprise a base 51 coupled to the upper collector 22 and a heat sink 51 with a plurality of fins 52 to absorb as much heat as possible coming from the thermoelectric generator 41 to which it is coupled through said base 51.
Para reducir la resistencia térmica por contacto entre principales elementos que componen este módulo termoeléctrico 1, se coloca un componente 25 de un material conductor térmico (como estaño en este caso y conformado como una arandela) entre el captador inferior 21 y el captador superior 22 de los medios de captación del calor 2 y además se coloca otro componente 55 también de un material conductor térmico (de estaño y conformado como una arandela) entre el disipador 52 y la base 51 de los medios de disipación del calor 5.To reduce the thermal resistance due to contact between the main elements that make up this thermoelectric module 1, a component 25 of a thermally conductive material (such as tin in this case and shaped like a washer) is placed between the lower sensor 21 and the upper sensor 22 of the heat capture means 2 and another component 55 also made of a thermal conductive material (tin and shaped like a washer) is placed between the heat sink 52 and the base 51 of the heat dissipation means 5.
El generador termoeléctrico 41 en este caso es una celda 41’ termogeneradora, tipo celda TEG Peltier, cuya cara caliente contacta con el captador superior y su cara fría con la base de los medios de disipación 5 conduciéndose así la energía térmica entre la tubería 3 y el disipador 52 y por ende, con este diferencial de temperatura es capaz de generar energía eléctrica.The thermoelectric generator 41 in this case is a thermogenerator cell 41', TEG Peltier cell type, whose hot face contacts the upper sensor and its cold face with the base of the dissipation means 5, thus conducting the thermal energy between the pipe 3 and the heatsink 52 and therefore, with this temperature differential it is capable of generating electrical energy.
Para facilitar una eliminación más rápida del calor excedente por medio de convección natural, el disipador 52 de los medios de disipación 5 del calor está provisto de una pluralidad de aletas 53 verticales con bifurcaciones para aumentar la superficie de contacto con el entorno, en este caso el aire. Así, de este modo, se consigue un flujo e intercambio del calor (ver Fig. 4) captado que aprovecha el generador termoeléctrico 41 para producir por dicho diferencial de temperatura electricidad que hace llegar a la caja electrónica 9, la cual se encarga de gestionar la energía eléctrica generada para diferentes usos o aplicaciones.To facilitate a faster removal of excess heat by means of natural convection, the heat sink 52 of the heat dissipation means 5 is provided with a plurality of vertical fins 53 with forks to increase the contact surface with the environment, in this case the air. Thus, in this way, a flow and exchange of captured heat is achieved (see Fig. 4) that takes advantage of the thermoelectric generator 41 to produce electricity through said temperature differential that reaches the electronic box 9, which is responsible for managing the electrical energy generated for different uses or applications.
Para concentrar el flujo de una superficie mayor, la del captador superior 22, a una menor, la del disipador 52, la base 51 de los medios de disipación 5 está formada por un cono invertido. Es decir, con estas formas se conduce mejor el calor evitando que se enfríe el captador por sus arestas y se evita que por convección se caliente más de lo debido el disipador y la caja electrónica que podrían ocasionar una reducción de rendimiento o incluso un mal funcionamiento.In order to concentrate the flow from a larger surface, that of the upper collector 22, to a smaller one, that of the dissipator 52, the base 51 of the dissipation means 5 is formed by an inverted cone. In other words, with these forms the heat is better conducted, preventing the sensor from cooling down due to its edges and preventing the heatsink and the electronic box from heating up more than it should due to convection, which could cause a reduction in performance or even a malfunction. .
El módulo termoeléctrico 1 de la presente realización comprende un elastómero 90 entre el captador superior 22 de los medios de captación 2 y la base 51 de los medios de disipación y que rodea el generador termoeléctrico 41. La función de este elastómero 90 es el de sellar la celda 41’ de agentes externos; además, funciona como aislante para evitar puentes térmicos y finalmente como componente estructural para colocar la citada celda 41’.The thermoelectric module 1 of the present embodiment comprises an elastomer 90 between the upper collector 22 of the collection means 2 and the base 51 of the dissipation means and surrounding the thermoelectric generator 41. The function of this elastomer 90 is to seal cell 41' of external agents; In addition, it functions as an insulator to prevent thermal bridges and finally as a structural component to place the aforementioned cell 41'.
Se contempla que el módulo termoeléctrico 1 comprenda una caja electrónica 9 para alojar en su interior la electrónica encargada de gestionar la energía eléctrica procedente del generador termoeléctrico 41, susceptible de adquirir datos de sensores y enviar los datos usando comunicaciones inalámbricas de largo alcance.It is contemplated that the thermoelectric module 1 comprises an electronic box 9 to house inside it the electronics in charge of managing the electrical energy coming from the generator thermoelectric 41, capable of acquiring data from sensors and sending the data using long-range wireless communications.
Para entender el funcionamiento térmico del citado módulo termoeléctrico 1, se representa en la Fig. 4 el flujo del calor con diferentes flechas, que para facilitar la comprensión se han representado en rojo los flujos de calor y en azul los flujos de enfriamiento. Así, se puede observar la siguiente secuencia y situaciones:In order to understand the thermal operation of the aforementioned thermoelectric module 1, the heat flow is represented in Fig. 4 with different arrows, which to facilitate understanding have represented the heat flows in red and the cooling flows in blue. Thus, the following sequence and situations can be observed:
a) la tubería actúa de fuente calor,a) the pipe acts as a heat source,
b) este calor es capturado a lo largo del contacto del captador inferior y el calor se transfiere a los medios de captación de la temperatura por su parte inferior,b) this heat is captured along the contact of the lower collector and the heat is transferred to the temperature capture means by its lower part,
c) la distribución del flujo de calor,c) the distribution of heat flux,
d) se calienta la cara caliente (Tho) de la celda Peltier,d) the hot side (Tho) of the Peltier cell is heated,
e) la disipación del calor al ambiente, con el intercambio de calor con el aire que rodea al módulo termoeléctrico 1,e) the dissipation of heat to the environment, with the exchange of heat with the air surrounding the thermoelectric module 1,
f) la concentración del flujo del calor hacia la superficie en contacto con el disipador térmico,f) the concentration of the heat flux towards the surface in contact with the heat sink,
g) conducción del intercambio de calor entre la tubería con los medios de captación y los medios de disipación, resultado del enfriamiento de la superficie fría (Tcol) de la celda Peltier.g) conduction of the heat exchange between the pipe with the collection means and the dissipation means, resulting from the cooling of the cold surface (Tcol) of the Peltier cell.
h) Camino del cable con energía eléctrica. A través del principio termoeléctrico, la diferencia de temperatura se convierte en energía eléctrica.h) Path of the cable with electrical energy. Through the thermoelectric principle, the temperature difference is converted into electrical energy.
i) Elemento estructural para la fijación de la caja electrónica.i) Structural element for fixing the electronic box.
j) La caja electrónica yj) The electronic box and
k) Junta de sellado para la protección impermeable y aislante térmico.k) Sealing gasket for waterproof protection and thermal insulation.
Con el ejemplo aquí descrito, de un modo de realización preferente, se entiende con mayor detalle el objeto de la presente invención que consigue dar a conocer un nuevo módulo termoeléctrico capaz de acoplarse mejor a las tuberías industriales y generar energía suficiente para alimentar por ejemplo otros dispositivos electrónicos o sensores industriales aprovechando el calor residual de la propia máquina o proceso que se desea monitorizar. La configuración de los elementos que lo componen, sus formas y características aquí descritas consiguen un intercambio de calor más óptimo que anteriores versiones del mismo titular incrementando el rendimiento del conjunto. With the example described here, of a preferred embodiment, the object of the present invention is understood in greater detail, which manages to present a new thermoelectric module capable of better coupling to industrial pipes and generating enough energy to feed, for example, other electronic devices or industrial sensors taking advantage of the residual heat of the machine or process that you want to monitor. The configuration of the elements that compose it, its forms and characteristics described here achieve a more optimal heat exchange than previous versions of the same holder, increasing the performance of the whole.
Claims (10)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202200054U ES1287834Y (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Thermoelectric module for the use of residual heat |
| JP2024600144U JP3251548U (en) | 2022-02-15 | 2023-02-09 | Thermoelectric module for residual heat utilization |
| PCT/ES2023/000003 WO2023156689A1 (en) | 2022-02-15 | 2023-02-09 | Thermoelectric module for the utilisation of waste heat |
| DE212023000157.8U DE212023000157U1 (en) | 2022-02-15 | 2023-02-09 | Thermoelectric module for the use of waste heat |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202200054U ES1287834Y (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Thermoelectric module for the use of residual heat |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES1287834U true ES1287834U (en) | 2022-03-11 |
| ES1287834Y ES1287834Y (en) | 2022-06-02 |
Family
ID=80495867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES202200054U Active ES1287834Y (en) | 2022-02-15 | 2022-02-15 | Thermoelectric module for the use of residual heat |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3251548U (en) |
| DE (1) | DE212023000157U1 (en) |
| ES (1) | ES1287834Y (en) |
| WO (1) | WO2023156689A1 (en) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2240478C2 (en) * | 2003-04-04 | 2004-11-20 | Таланкин Владимир Петрович | Thermoelectric device for contact cooling of surfaces |
| US9184364B2 (en) * | 2005-03-02 | 2015-11-10 | Rosemount Inc. | Pipeline thermoelectric generator assembly |
| US7649138B2 (en) * | 2005-05-25 | 2010-01-19 | Hi-Z Technology, Inc. | Thermoelectric device with surface conforming heat conductor |
| US7765811B2 (en) * | 2007-06-29 | 2010-08-03 | Laird Technologies, Inc. | Flexible assemblies with integrated thermoelectric modules suitable for use in extracting power from or dissipating heat from fluid conduits |
| WO2011008280A1 (en) * | 2009-07-17 | 2011-01-20 | Sheetak Inc. | Heat pipes and thermoelectric cooling devices |
| TWI443883B (en) * | 2010-11-29 | 2014-07-01 | Ind Tech Res Inst | Thermoelectric generator apparatus with high thermoelectric conversion efficiency |
| US11121125B2 (en) * | 2018-12-12 | 2021-09-14 | Micron Technology, Inc. | Thermal chamber for a thermal control component |
-
2022
- 2022-02-15 ES ES202200054U patent/ES1287834Y/en active Active
-
2023
- 2023-02-09 DE DE212023000157.8U patent/DE212023000157U1/en active Active
- 2023-02-09 WO PCT/ES2023/000003 patent/WO2023156689A1/en active Application Filing
- 2023-02-09 JP JP2024600144U patent/JP3251548U/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3251548U (en) | 2025-06-09 |
| WO2023156689A1 (en) | 2023-08-24 |
| DE212023000157U1 (en) | 2024-10-18 |
| ES1287834Y (en) | 2022-06-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7471516B2 (en) | Meter with reduced internal temperature rise and associated method | |
| KR100868492B1 (en) | Solar cell generator with thermoelectric element | |
| EP2311109A2 (en) | Split thermo-electric structure and devices and systems that utilize said structure | |
| US20050236028A1 (en) | Heat to cooling converter | |
| KR101384981B1 (en) | Thermoelectric device having structure capable of improving thermal efficiency | |
| ES2715405T3 (en) | Thermal energy storage facility in compact rock bed | |
| KR101784989B1 (en) | Thermoelectric generation system using solar heat collector | |
| KR101771148B1 (en) | Solar heat collector type thermoelectric generator module and system comprising the same | |
| KR101296234B1 (en) | Floating appratus for generating electricity with thermoelectric element | |
| ES1287834U (en) | Thermoelectric module for the use of residual heat | |
| ES2921483B2 (en) | Thermoelectric module for the use of residual heat and industrial process monitoring system | |
| KR20160091840A (en) | An automobile cooling device using thermoelement | |
| JP4253471B2 (en) | Energy conversion system | |
| CN116208028A (en) | Lunar base TEG power generation device and method utilizing sintered lunar soil for heat storage/cooling | |
| WO2024218408A1 (en) | Self-powered monitoring system | |
| KR101637950B1 (en) | Solar heat collector type thermoelecric generation apparatus | |
| KR101011733B1 (en) | Electric generator using solar energy | |
| ES3006479T3 (en) | Thermoelectric generator with no moving parts applied to geothermal energy | |
| JPH04280482A (en) | Cooling device utilizing solar light | |
| JP2010225702A (en) | Thermoelectric power generation system | |
| ES2584105B2 (en) | Hybrid thermionic-photovoltaic converter | |
| ES2809552T3 (en) | Phase change accumulator for nanotube thermogenerator NRTHGPWS | |
| KR20110097217A (en) | Waste heat generator | |
| CN205829501U (en) | Thermoelectric generation structure and aerostat based on Seebeck effect | |
| EA038725B1 (en) | Thermoelectric generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CA1K | Utility model application published |
Ref document number: 1287834 Country of ref document: ES Kind code of ref document: U Effective date: 20220311 |
|
| FG1K | Utility model granted |
Ref document number: 1287834 Country of ref document: ES Kind code of ref document: Y Effective date: 20220527 |