ES2380966A1 - Electric power generator device (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositivo generador de potencia electrica Electric power generating device
La presente invención tiene por objeto un dispositivo para generación de electricidad o generador de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje que comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto, que presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas. The present invention aims at a device for generating electricity or electric power generator with high intensity and low voltage comprising at least three layers with equal contact surface, which has two outer layers formed by materials with high thermal and electrical conductivity and at least one inner layer formed by materials with thermoelectric properties.
La presente invención también se refiere a un proceso de obtención de dicho dispositivo. The present invention also relates to a process for obtaining said device.
El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. The thermoelectric effect in a material relates the heat flow that travels it with the electric current that passes through it. This effect is the basis of refrigeration and electricity generation applications: a thermoelectric material allows heat to be directly transformed into electricity, or to generate cold when an electric current is applied.
Los materiales termoeléctricos fueron descubiertos en 1821, considerándose materiales sólidos semiconductores que generan una corriente eléctrica cuando existe un gradiente de temperatura en su interior; esta propiedad hace posible producir directamente corriente eléctrica aplicando una fuente de calor en una de sus caras mientras exponemos la otra a la intemperie o a un foco frío. Thermoelectric materials were discovered in 1821, considering solid semiconductor materials that generate an electric current when there is a temperature gradient inside; This property makes it possible to directly produce electric current by applying a heat source on one of its faces while exposing the other to the weather or a cold spot.
Un material termoeléctrico transforma calor en electricidad y puede reciclar energía residual de procesos industriales mediante dispositivos muy sencillos, sin elementos móviles, sin desgaste, sin mantenimiento activo ni pasivo y produce electricidad de manera constante si está sometido a un flujo de calor continuo. A thermoelectric material transforms heat into electricity and can recycle residual energy from industrial processes through very simple devices, without moving elements, without wear, without active or passive maintenance and produces electricity constantly if it is subjected to a continuous heat flow.
La longevidad de estos dispositivos hace que sean capaces de funcionar durante más de 15 años, en algunos casos incluso 20, lapso de tiempo cumplido hoy en día por los sistemas de generación de electricidad de las sondas espaciales “Pioneer 11”, “Voyager” y “Galileo”. The longevity of these devices makes them capable of operating for more than 15 years, in some cases even 20, time lapse fulfilled today by the electricity generation systems of the space probes "Pioneer 11", "Voyager" and "Galileo."
Aproximadamente un tercio de la energía consumida en procesos de fabricación modernos es emitida a la atmósfera o a sistemas de refrigeración (T. Hendrick, W. T. Choate, Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat recovery, U. S. Department of Energy 2006), lo que representa unos 127 días de consumo de petróleo por año. Por consiguiente, la oportunidad que este aspecto representa para la aplicación de materiales termoeléctricos en el reciclaje de energía es obviamente interesante. Approximately one third of the energy consumed in modern manufacturing processes is emitted to the atmosphere or to cooling systems (T. Hendrick, WT Choate, Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat recovery, US Department of Energy 2006), which represents about 127 days of oil consumption per year. Therefore, the opportunity that this aspect represents for the application of thermoelectric materials in energy recycling is obviously interesting.
Haciendo un análisis cronológico, observamos que el año 1960 supuso un gran avance para la consolidación de esta tecnología al fundarse la compañía KELK. Esta empresa se dedicó a comercializar módulos termoeléctricos (TE) para electrónica, tecnología aeroespacial, tratamientos médicos, agricultura, biotecnología, comunicaciones por fibra óptica, meteorología, comunicaciones por satélite y aparatos de laboratorio, entre otras cosas, lo cual supuso un gran avance en este campo de la técnica (Kin-ichi Uemura, History of Thermoelectricity in Japan, Journal of of Thermoelectricity, nº 3, pp. 7-16, 2002). Making a chronological analysis, we observe that the year 1960 was a great advance for the consolidation of this technology when the KELK company was founded. This company was dedicated to commercialize thermoelectric modules (TE) for electronics, aerospace technology, medical treatments, agriculture, biotechnology, fiber optic communications, meteorology, satellite communications and laboratory equipment, among other things, which meant a breakthrough in this field of technique (Kin-ichi Uemura, History of Thermoelectricity in Japan, Journal of of Thermoelectricity, No. 3, pp. 7-16, 2002).
Sin embargo, hasta 1995 aproximadamente, las aplicaciones prácticas de materiales termoeléctricos se mantuvieron en un nivel muy discreto y los rendimientos de los materiales disponibles hasta esta fecha eran también moderados. Las aplicaciones prácticas se concentraban por entonces en estudios con los compuestos PbTe, SbTe, Bi2Te y GeSi aplicados generalmente en el campo de la refrigeración en electrónica, así como en naves espaciales demasiado alejadas del sol para utilizar como fuente de energía la radiación de nuestra estrella. En lo referente a los rendimientos de transformación calor-electricidad eran también moderados, obteniéndose entre un 2 y un 5% en la mayoría de casos. However, until about 1995, the practical applications of thermoelectric materials remained at a very discrete level and the yields of the materials available up to this date were also moderate. Practical applications were concentrated at that time in studies with the compounds PbTe, SbTe, Bi2Te and GeSi generally applied in the field of electronic refrigeration, as well as spacecraft too far from the sun to use the radiation of our star as energy source . Regarding the heat-electricity transformation yields, they were also moderate, obtaining between 2 and 5% in most cases.
Otro factor limitante era la utilización de un elemento escaso como el telurio (Te), cuya producción anual apenas supera las 400 toneladas por año, lo cual implica un alto coste en el mercado para la adquisición de este material; por lo que se hace necesario el avance en el estudio de diferentes sistemas generadores de electricidad que solventen esta limitación, entre otras. Another limiting factor was the use of a scarce element such as tellurium (Te), whose annual production barely exceeds 400 tons per year, which implies a high cost in the market for the acquisition of this material; Therefore, progress is needed in the study of different electricity generating systems that solve this limitation, among others.
Un evento relevante en la historia de estos dispositivos que certifica la capacidad para aumentar la potencia de los mismos fue el lanzamiento al espacio de la sonda Cassini en 1997 con un generador termoeléctrico de 293 vatios (W). (Rowe, D. M., Thermoelectics Handbook: Macro to Nano, Boca Raton, CRC Press, 2006). A relevant event in the history of these devices that certifies the ability to increase their power was the launch into space of the Cassini probe in 1997 with a 293-watt (W) thermoelectric generator. (Rowe, D. M., Thermoelectics Handbook: Macro to Nano, Boca Raton, CRC Press, 2006).
Dentro de las ultimas aplicaciones de este tipo de dispositivos termoeléctricos, destaca la empleada por la compañía BBST que ha desarrollado un módulo capaz de generar 125 W con el calor residual de un motor de combustión interna de un automóvil, que consiste en un único módulo tubular (basado en el sistema termopar) que utiliza telurio, con el inconveniente anteriormente descrito. Among the latest applications of this type of thermoelectric devices, the one used by the BBST company that has developed a module capable of generating 125 W with the residual heat of an internal combustion engine of a car, consisting of a single tubular module, stands out (based on the thermocouple system) that uses tellurium, with the drawback described above.
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Así, se puede observar que en el estado de la técnica actual, entre los planteamientos actuales de cara a la explotación de la termoelectricidad, dominan las configuraciones basadas en la utilización de pequeños termopares conectados en serie instalados entre paredes de materiales poco conductores como la alúmina. Thus, it can be observed that in the current state of the art, among the current approaches to the exploitation of thermoelectricity, the configurations based on the use of small thermocouples connected in series installed between walls of poorly conductive materials such as alumina dominate .
Sin embargo, todas estas aproximaciones del estado de la técnica presentan la limitación de requerir una construcción manual para dichos dispositivos, lo cual encarece en tiempo, mano de obra y dinero el proceso de fabricación de los mismos, no siendo posible la automatización de la fabricación de estos dispositivos. However, all these approximations of the state of the art have the limitation of requiring a manual construction for said devices, which makes the manufacturing process of the same time, labor and money more expensive, and manufacturing automation is not possible of these devices.
Así, el dispositivo de la presente invención soluciona este problema del estado del arte, permitiendo automatizar su fabricación frente a la construcción manual que mayoritariamente se utiliza en la actualidad. Esto es posible gracias a que el dispositivo generador de electricidad objeto de la presente invención es capaz de generar potencia eléctrica utilizando una sola unidad generadora en lugar conectar en serie múltiples termopares. Thus, the device of the present invention solves this problem of the state of the art, allowing to automate its manufacture against the manual construction that is mostly used today. This is possible because the electricity generating device object of the present invention is capable of generating electrical power using a single generating unit instead of connecting multiple thermocouples in series.
Adicionalmente el dispositivo objeto de la presente invención presenta la ventaja de emplear paredes externas con alta conductividad eléctrica y térmica suponen una importante mejora en cuanto a rendimiento frente a las paredes externas de alúmina. Additionally, the device object of the present invention has the advantage of using external walls with high electrical and thermal conductivity, which represents a significant improvement in performance compared to external alumina walls.
Por otro lado, los dispositivos generadores de potencia eléctrica del estado de la técnica, utilizan materiales en los módulos generadores como el telurio (Te), que como se ha citado anteriormente es escaso en la naturaleza a diferencia de la presente invención que utiliza materiales generadores como Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, o Se de forma preferida. On the other hand, the electric power generating devices of the state of the art use materials in the generating modules such as tellurium (Te), which as mentioned above is scarce in nature unlike the present invention that uses generating materials such as Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, or Se, preferably.
Para el objeto de la presente invención se utilizan indistintamente los siguientes términos: For the purpose of the present invention the following terms are used interchangeably:
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- “dispositivo termoeléctrico”, “dispositivo generador de electricidad” y “dispositivo generador de potencia eléctrica”. "Thermoelectric device", "electricity generating device" and "electrical power generating device".
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- “capa” o “lamina” y, "Layer" or "laminate" and,
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- “capas” o “laminas”. "Layers" or "sheets".
La presente invención se ha desarrollado con el fin de proporcionar un dispositivo generador de potencia eléctrica con muy baja diferencia de potencial y una intensidad muy elevada que utiliza una sola unidad generadora en lugar conectar en serie múltiples termopares como se esta haciendo en la industria The present invention has been developed in order to provide an electric power generating device with a very low potential difference and a very high intensity that uses a single generating unit instead of connecting multiple thermocouples in series as is being done in the industry
Así, el diseño del dispositivo permite automatizar su fabricación frente a la construcción manual que mayoritariamente se esta utilizando actualmente. Thus, the design of the device allows automating its manufacture against the manual construction that is currently being used mostly.
Esto es posible gracias al uso de paredes externas con alta conductividad, tanto eléctrica como térmica, que suponen una importante mejora en cuanto a rendimiento frente a las paredes externas de alúmina que se utilizan de forma mayoritaria a día de hoy. Por otro lado, deja de ser necesario el uso del proceso de sinterización en la producción de dicho material termoeléctrico, pudiéndose obtener este mediante un proceso de fusión directa. This is possible thanks to the use of external walls with high conductivity, both electrical and thermal, which represent a significant improvement in performance compared to the external alumina walls that are used mostly today. On the other hand, it is no longer necessary to use the sintering process in the production of said thermoelectric material, which can be obtained through a direct fusion process.
Las distintas configuraciones alternativas propuestas como objeto de la presente invención permiten utilizar diversos materiales termoeléctricos en la unidad de generación, incluso realizando aleaciones por termo-difusión in situ agilizando de ese modo el proceso productivo. The different alternative configurations proposed as the object of the present invention allow the use of various thermoelectric materials in the generation unit, even making alloys by thermo-diffusion in situ thereby speeding up the production process.
El dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje, objeto de la presente invención, comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto y se caracteriza porque presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas, en donde el material de las capas exteriores es cobre, preferentemente cobre PMA. The device for generating electrical power with high intensity and low voltage, object of the present invention, comprises at least three layers with equal contact surface and is characterized in that it has two outer layers formed by materials with high thermal and electrical conductivity and at less an inner layer formed by materials with thermoelectric properties, where the material of the outer layers is copper, preferably PMA copper.
Dicho dispositivo puede contener varias capas interiores, que se seleccionan en función del material empleado que a su vez varía en función de rangos de temperatura. Así, dicho dispositivo se caracteriza porque los materiales de la capa interior son: Said device may contain several inner layers, which are selected according to the material used which in turn varies according to temperature ranges. Thus, said device is characterized in that the materials of the inner layer are:
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- BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 o SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0,1%) dispuestos en varias capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 400ºC y 600ºC. BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 or SnAg (with an amount of Sn of 2% and Ag of 0.1%) arranged in several layers, for a device that supports a temperature range between 400 ° C and 600 ° C.
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- Bi y Sb dispuestos en al menos dos capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0ºC y 150 ºC, donde adicionalmente comprende una interfase de BiSb, situando el Sb en la zona de mayor exposición térmica y el Bi en la zona de menor exposición térmica. Bi and Sb arranged in at least two layers, for a device that supports a temperature range between 0 ° C and 150 ° C, where it additionally comprises a BiSb interface, placing the Sb in the area of greatest thermal exposure and the Bi in the area of Less thermal exposure
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- Zn4Sb3 o ZnSn dispuestos en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 250ºC y 450ºC. Zn4Sb3 or ZnSn arranged in a single layer, for a device that supports a temperature range between 250ºC and 450ºC.
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- AlSb dispuesto en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre AlSb arranged in a single layer, for a device that supports a temperature range between
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450ºC y 750ºC. 450 ° C and 750 ° C.
La presente invención también se refiere a un proceso de obtención de dicho dispositivo donde la capa o capas del material termoeléctrico se deposita mediante un proceso seleccionado de los siguientes: electrólisis, pulverización catódica o sputtering, difusión térmica, inmersión o soldadura. The present invention also relates to a process for obtaining said device where the layer or layers of the thermoelectric material is deposited by a process selected from the following: electrolysis, sputtering or sputtering, thermal diffusion, immersion or welding.
De forma teórica, los sistemas de generación de electricidad generalmente constan de cuatro elementos básicos:(1) un módulo de generación termoeléctrico (TE), que suele contener un número variable de pastillas de un material termoeléctrico, (2) un intercambiador de calor a temperatura elevada, (3) un intercambiador de calor a temperatura baja y, (4) un dispositivo transformador para suministrar electricidad con las características deseadas. Theoretically, electricity generation systems generally consist of four basic elements: (1) a thermoelectric generation module (TE), which usually contains a variable number of pads of a thermoelectric material, (2) a heat exchanger to high temperature, (3) a low temperature heat exchanger and, (4) a transformer device for supplying electricity with the desired characteristics.
Como se ha avanzado en el estado de la técnica, actualmente el 90% de los dispositivos termoeléctricos utilizan aleaciones en base telurio. La solución adoptada para aprovechar la capacidad termoeléctrica de aleaciones telurobismuto, ha sido unir en serie pequeñas unidades generadoras. Al instalar en serie alrededor de un centenar de estas unidades generadoras, aplicando una cantidad de corriente reducida, se consigue enfriar sistemas electrónicos al bajar la temperatura del foco frió de la placa termoeléctrica. Estas unidades generadoras están compuestas por una pareja de semiconductor N y semiconductor P unidas por una plaquita de cobre que permite conectar el circuito. El uso de una unidad de semiconductor N y una de semiconductor P permite aprovechar el efecto termopar aumentando de este modo el rendimiento del sistema. As advanced in the state of the art, currently 90% of thermoelectric devices use alloys based on tellurium. The solution adopted to take advantage of the thermoelectric capacity of telurobismuth alloys has been to connect small generating units in series. By installing in series about one hundred of these generating units, by applying a reduced amount of current, it is possible to cool electronic systems by lowering the temperature of the cold focus of the thermoelectric plate. These generating units are composed of a pair of semiconductor N and semiconductor P joined by a copper insert that allows the circuit to be connected. The use of a semiconductor unit N and a semiconductor P allows to take advantage of the thermocouple effect thereby increasing the system performance.
Para evitar cortocircuitar la energía eléctrica producida por las unidades generadoras se utiliza como pared exterior alúmina, cuyas propiedades son baja conductividad térmica y baja conductividad eléctrica. To avoid short-circuiting the electrical energy produced by the generating units, it is used as an alumina outer wall, whose properties are low thermal conductivity and low electrical conductivity.
El ensamblaje de las pastillas para refrigeración de circuitos electrónicos compuestas por pequeñas unidades generadoras de teluro-bismuto se realiza actualmente de forma manual, pegando las parejas de semiconductor N y semiconductor P a unas placas de cobre utilizando pasta conductora y posteriormente estas placas de cobre son pegadas a las paredes de alúmina dando el formato definitivo a las pastillas termoeléctricas. Estos dispositivos aparte de la limitación de la fabricación manual, presentan la desventaja de que son más difíciles de reciclar por el hecho de estar formados por diferentes materiales en pequeñas dimensiones. The assembly of the electronic circuit cooling pads composed of small generating units of tellurium-bismuth is currently done manually, by attaching the pairs of semiconductor N and semiconductor P to copper plates using conductive paste and subsequently these copper plates are glued to the alumina walls giving the definitive format to the thermoelectric pads. These devices apart from the limitation of manual manufacturing, have the disadvantage that they are more difficult to recycle because they are formed by different materials in small dimensions.
Para el objeto de la presente invención, se entiende por un semiconductor tipo N aquel que se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). For the purpose of the present invention, a type N semiconductor is understood as the one obtained by carrying out a doping process by adding a certain type of atoms to the semiconductor in order to increase the number of free charge carriers (in this case negative or electrons)
Para el objeto de la presente invención, se entiende por un semiconductor tipo P aquel que se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). For the purpose of the present invention, a P-type semiconductor is understood as the one obtained by carrying out a doping process, adding a certain type of atoms to the semiconductor in order to increase the number of free charge carriers (in this case positive or gaps).
Sin embargo, el nuevo planteamiento de la presente invención permite automatizar dicho proceso y reducir tanto los costes constructivos como las perdidas de eficiencia fruto de los múltiples contactos eléctricos necesarios para el ensamblaje de las pastillas que se usan hoy en día. However, the new approach of the present invention makes it possible to automate said process and reduce both the construction costs and the efficiency losses resulting from the multiple electrical contacts necessary for the assembly of the pads used today.
El generador termoeléctrico objeto de la presente invención no tiene porqué utilizar el efecto “termopar”, ya que no es necesario usar una combinación de semiconductores N y P, pudiendo utilizar de forma independiente cualquiera de los dos. The thermoelectric generator object of the present invention does not have to use the "thermocouple" effect, since it is not necessary to use a combination of semiconductors N and P, any of the two being able to be used independently.
Adicionalmente, el generador termoeléctrico objeto de la presente invención, no requiere el ensamblaje de diversas unidades generadoras como en las placas de refrigeración actuales ya que puede estar formado por una sola unidad generadora de grandes dimensiones desde 1 centímetro hasta 100 metros, produciendo electricidad con bajo voltaje y muy alta intensidad. Additionally, the thermoelectric generator object of the present invention does not require the assembly of various generating units as in the current cooling plates since it can be formed by a single large generating unit from 1 centimeter to 100 meters, producing electricity with low voltage and very high intensity.
Una de las mayores ventajas de esta propuesta es la facilidad a la hora de automatizar el proceso de obtención de dicho dispositivo. Las distintas propuestas realizadas, inmersión, difusión + presión, electrolisis y el método de pulverización catódica (en ingles “sputtering”), permiten agilizar la velocidad de producción y eliminar trabajo manual, cuya lentitud genera importantes costes que acaban encareciendo el precio de venta al publico del producto terminado. One of the biggest advantages of this proposal is the ease in automating the process of obtaining said device. The different proposals made, immersion, diffusion + pressure, electrolysis and the sputtering method (in English “sputtering”), allow speeding up the production speed and eliminating manual labor, whose slowness generates significant costs that end up making the sale price more expensive. Public of the finished product.
El método de obtención preferido, consta de dos fases: The preferred method of obtaining consists of two phases:
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- La primera es la deposición electrolítica de uno de los materiales termoeléctricos elegidos sobre las paredes de cobre. Este proceso permite realizar de forma automática la deposición de decenas de metros cuadros de superficie que luego se podrá utilizar en los dispositivos, The first is the electrolytic deposition of one of the thermoelectric materials chosen on the copper walls. This process allows to automatically perform the deposition of tens of square meters of surface that can then be used in the devices,
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- Una vez el material ha sido depositado en las paredes de cobre, se juntaran 2 piezas compuestas por pared de cobre en el exterior y material termoeléctrico en el interior y se someterán a una combinación de presión mas calor que permita unir las dos piezas mediante soldadura por difusión. Once the material has been deposited on the copper walls, 2 pieces composed of copper wall on the outside and thermoelectric material on the inside will be put together and will undergo a combination of more heat pressure that allows the two pieces to be joined by welding by diffusion.
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La ventaja técnica más importante es la minimización de perdidas de potencia fruto de contactos eléctricos. Al utilizar la deposición electrolítica el contacto entre el material termoeléctrico y la pared de cobre es total y las perdidas generadas mínimas. La soldadura por difusión pretende a su vez, realizar un anclaje de las dos piezas que formarán la unidad de generación termoeléctrica con el mejor contacto eléctrico posible. Esta soldadura que se produce al penetrar recíprocamente un metal dentro de otro por acción del calor y la presión es la mas eficiente de cara a minimizar las perdidas de carga, a su vez, la gran superficie que posee el contacto eléctrico, reduce el riesgo de sobrecalentamientos al circular mucha intensidad por una superficie pequeña, riesgo que las pastillas actuales sí poseen. The most important technical advantage is the minimization of power losses resulting from electrical contacts. When using the electrolytic deposition the contact between the thermoelectric material and the copper wall is total and the minimum losses generated. The diffusion welding, in turn, intends to make an anchor of the two pieces that will form the thermoelectric generation unit with the best possible electrical contact. This welding that occurs when one metal penetrates into another by the action of heat and pressure is the most efficient in order to minimize the loss of charge, in turn, the large area that has the electrical contact, reduces the risk of overheating when driving a lot of intensity over a small surface, risk that current tablets do.
Otra diferencia importante entre el dispositivo objeto de la presente invención y los dispositivos de uso en la actualidad es que su diseño esta pensado para la generación de potencia eléctrica en lugar de para la refrigeración de sistemas electrónicos. Dicha potencia se obtendrá con una muy baja diferencia de potencial y una intensidad muy elevada. Another important difference between the device object of the present invention and the devices of use today is that its design is intended for the generation of electrical power rather than for the cooling of electronic systems. This power will be obtained with a very low potential difference and a very high intensity.
El procedimiento de obtención de dicho dispositivo generador de potencia eléctrica permite por su versatilidad en cuanto a producción industrial agilizar dicho proceso, reduciendo los costes constructivos y permitiendo ofrecer los productos obtenidos a precios más competitivos. Permitiendo reducir los costes de producción; mediante el uso de procesos automatizados para la construcción de dichos dispositivos, ya que el uso de un proceso de fusión en lugar de los procesos de sinterización de uso actualmente, permite aumentar la capacidad de producción. La utilización de la difusión térmica para la obtención de las distintas aleaciones necesarias permitirá eliminar una etapa de fusión o sinterización para la obtención de las aleaciones termoeléctricas deseadas, esto sin duda tiene un impacto importante a la hora de reducir los costes de producción. The procedure for obtaining said electric power generating device allows for its versatility in industrial production to speed up said process, reducing construction costs and allowing to offer the products obtained at more competitive prices. Allowing to reduce production costs; through the use of automated processes for the construction of said devices, since the use of a fusion process instead of the sintering processes currently used, allows to increase the production capacity. The use of thermal diffusion to obtain the different alloys necessary will allow the elimination of a melting or sintering stage to obtain the desired thermoelectric alloys, this undoubtedly has an important impact in reducing production costs.
Por otro lado, el procedimiento de obtención del dispositivo generador de potencia eléctrica objeto de la presente invención, permite reducir los costes de las materias primas ya que este diseño no esta condicionado al uso de telurobismuto, compuestos escasos en la naturaleza y con un precio mucho más elevado en comparación con las aleaciones BiSb, Zn4Sb3, ZnSb ó SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0,1%). On the other hand, the procedure for obtaining the electric power generating device object of the present invention, allows to reduce the costs of the raw materials since this design is not conditioned to the use of telurobismuth, scarce compounds in nature and with a high price higher compared to BiSb, Zn4Sb3, ZnSb or SnAg alloys (with an amount of Sn of 2% and Ag of 0.1%).
Adicionalmente, el proceso objeto de la presente invención permite aumentar el rendimiento; mediante la minimización de perdidas de carga fruto de la resistencia eléctrica de los contactos y mediante el uso de paredes externas con alta conductividad eléctrica y térmica. El uso de un proceso de fusión en lugar de los actuales procesos de sinterización, reduce el grado de oxidación de los materiales termoeléctricos y aumenta tanto su rendimiento como su capacidad para generar potencia eléctrica. Additionally, the process object of the present invention allows to increase the yield; by minimizing load losses due to the electrical resistance of the contacts and by using external walls with high electrical and thermal conductivity. The use of a fusion process instead of the current sintering processes, reduces the degree of oxidation of thermoelectric materials and increases both their performance and their ability to generate electrical power.
Por tanto, la solución técnica planteada en la presente invención, permite obtener un dispositivo que produce potencia eléctrica superior gracias tanto al uso de materias primas de bajo coste, así como permite utilizar métodos automatizados para la obtención de dichos dispositivos presentando la ventaja de que pueden fabricarse en un tamaño muy superior a los actuales permitiendo aumentar la potencia generada de forma significativa. Therefore, the technical solution proposed in the present invention makes it possible to obtain a device that produces superior electrical power thanks to both the use of low-cost raw materials, as well as allows the use of automated methods for obtaining said devices presenting the advantage that they can be manufactured in a size much larger than the current ones allowing to increase the power generated significantly.
De acuerdo con un aspecto importante, el dispositivo generador de potencia eléctrica de la presente invención utiliza un sistema tipo “sándwich” con paredes conformadas por un material altamente conductor (tanto térmica como eléctricamente) como el cobre en el exterior y en el interior una o varias capas de material termoeléctrico. Así, se caracteriza por tener las capas interiores dispuestas de forma laminar con una superficie igual a la de las paredes exteriores de cobre, maximizando de este modo la superficie termoeléctrica operativa hasta un 100% y minimizando las perdidas de potencia fruto de los contactos eléctricos. According to an important aspect, the electric power generating device of the present invention uses a "sandwich" type system with walls formed by a highly conductive material (both thermally and electrically) such as copper on the outside and inside one or several layers of thermoelectric material. Thus, it is characterized by having the inner layers arranged in a laminar manner with a surface equal to that of the outer copper walls, thereby maximizing the operating thermoelectric surface up to 100% and minimizing the power losses resulting from the electrical contacts.
El primer y principal objetivo de este dispositivo es generar grandes cantidades de potencia eléctrica a partir de muy bajos voltajes y muy altas intensidades, siendo necesario el diseño y puesta en marcha de un transformador eléctrico capaz de elevar dicho potencial y reducir la intensidad hasta alcanzar las cotas necesarias para el uso de la potencia eléctrica generada en la red eléctrica. The first and main objective of this device is to generate large amounts of electrical power from very low voltages and very high intensities, being necessary the design and commissioning of an electrical transformer capable of raising this potential and reducing the intensity until reaching the dimensions necessary for the use of the electric power generated in the electricity grid.
La eficiencia que se obtiene al minimizar las perdidas de potencia fruto de los contactos eléctricos permite obtener del dispositivo una potencia superior a las que actualmente son capaces de producir los dispositivos que se están utilizando en el estado de la técnica. The efficiency obtained by minimizing the power losses resulting from the electrical contacts allows the device to obtain a higher power than those currently capable of producing the devices that are being used in the state of the art.
El uso de cobre en las paredes exteriores facilita tanto el aporte como la extracción de calor, facilitando de este modo la creación de un gradiente de temperaturas en el interior del dispositivo al aplicar un flujo caliente y un flujo frío en sus capas externas. The use of copper in the outer walls facilitates both the contribution and the extraction of heat, thus facilitating the creation of a temperature gradient inside the device by applying a hot flow and a cold flow in its outer layers.
Como se ha citado en líneas anteriores, entre los planteamientos actuales del estado del arte de cara a la explotación de la termoelectricidad, dominan las configuraciones basadas en la utilización de pequeños termopares conectados en serie instalados entre paredes de alúmina. Sin embargo, los inventores de la presente invención han desarrollado un sistema tipo “sándwich” con paredes de cobre en el exterior y en el interior una o varias capas de material termoeléctrico. Estas capas en forma de lámina tienen una superficie igual a la de las paredes exteriores de cobre, maximizando de este modo la superficie termoeléctrica operativa hasta un 100% y minimizando las perdidas de potencia fruto de los contactos eléctricos (ver Fig. 1). As mentioned in previous lines, among the current state of the art approaches to the exploitation of thermoelectricity, configurations based on the use of small thermocouples connected in series installed between alumina walls dominate. However, the inventors of the present invention have developed a "sandwich" system with copper walls outside and inside one or more layers of thermoelectric material. These sheet-shaped layers have a surface equal to that of the outer copper walls, thus maximizing the operating thermoelectric surface up to 100% and minimizing the power losses resulting from electrical contacts (see Fig. 1).
El primer y principal objetivo de este dispositivo es generar grandes cantidades de potencia eléctrica a partir de muy bajos voltajes y muy altas intensidades, siendo necesario el diseño y puesta en marcha de un transformador eléctrico capaz de elevar dicho potencial y reducir la intensidad hasta alcanzar las cotas necesarias para el uso de la potencia The first and main objective of this device is to generate large amounts of electrical power from very low voltages and very high intensities, being necessary the design and commissioning of an electrical transformer capable of raising this potential and reducing the intensity until reaching the dimensions necessary for the use of power
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eléctrica generada en la red eléctrica. La eficiencia que se obtendrá al minimizar las perdidas de potencia fruto de los contactos eléctricos permitirá obtener del dispositivo una potencia superior a las que actualmente son capaces de producir los dispositivos que se están utilizando comercialmente. electricity generated in the electricity grid. The efficiency that will be obtained by minimizing the power losses resulting from the electrical contacts will allow the device to obtain a higher power than those currently capable of producing the devices that are being used commercially.
El uso de cobre en las paredes exteriores proporciona el efecto técnico de favorecer tanto el aporte como la extracción de calor, facilitando de este modo la creación de un gradiente de temperaturas en el interior del dispositivo al aplicar un flujo caliente y un flujo frío en sus capas externas. The use of copper in the outer walls provides the technical effect of favoring both the contribution and the extraction of heat, thus facilitating the creation of a temperature gradient inside the device by applying a hot flow and a cold flow in its outer layers
Así, un objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje en el que los materiales de la capa interior son: Thus, an object of the present invention relates to a device for generating electrical power with high intensity and low voltage in which the materials of the inner layer are:
- --
- BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 o SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0,1%) dispuestos en varias capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 400ºC y 600ºC. BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 or SnAg (with an amount of Sn of 2% and Ag of 0.1%) arranged in several layers, for a device that supports a temperature range between 400 ° C and 600 ° C.
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- Bi y Sb dispuestos en al menos dos capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0ºC y 150 ºC, donde adicionalmente comprende una interfase de BiSb, situando el Sb en la zona de mayor exposición térmica y el Bi en la zona de menor exposición térmica (ver Fig. 2). Bi and Sb arranged in at least two layers, for a device that supports a temperature range between 0 ° C and 150 ° C, where it additionally comprises a BiSb interface, placing the Sb in the area of greatest thermal exposure and the Bi in the area of lower thermal exposure (see Fig. 2).
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- Zn4Sb3 o ZnSn dispuestos en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 250ºC y 450ºC. Zn4Sb3 or ZnSn arranged in a single layer, for a device that supports a temperature range between 250ºC and 450ºC.
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- AlSb dispuesto en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 450ºC y 750ºC. AlSb disposed in a single layer, for a device that supports a temperature range between 450 ° C and 750 ° C.
Para el objeto de la presente invención también es importante el procedimiento de obtención de dicho dispositivo, tal y como se describe a continuación. Also important for the purpose of the present invention is the process for obtaining said device, as described below.
Hay que tener en cuenta que las paredes exteriores del dispositivo deberán ser de cobre, con la mayor conductividad eléctrica posible, preferiblemente 101% IACS. La composición preferida del cobre, sería la del cobre PMA (cobre polimicroaleado, con una riqueza en cobre mínima del 99,5%) con alta conductividad por su capacidad de generar pequeñas diferencias de potencial y añadir de este modo potencia al sistema. It should be borne in mind that the outer walls of the device should be copper, with the highest possible electrical conductivity, preferably 101% IACS. The preferred composition of copper would be that of PMA copper (polymorphic copper, with a minimum copper richness of 99.5%) with high conductivity due to its ability to generate small potential differences and thus add power to the system.
A la hora de dar forma a los materiales termoeléctricos y a diferencia de los procesos actuales que requieren la sinterización de dichos materiales, el procedimiento de la presente invención permite obtener los materiales necesarios mediante fusión y colada, agilizando el proceso y reduciendo el impacto de la oxidación en los materiales, aumentando de este modo su eficiencia. When shaping thermoelectric materials and unlike current processes that require sintering of said materials, the process of the present invention allows obtaining the necessary materials by melting and casting, streamlining the process and reducing the impact of oxidation in materials, thus increasing its efficiency.
Las láminas de material termoeléctrico se podrán depositar de diferentes modos, preferentemente con los siguientes procedimientos: The sheets of thermoelectric material can be deposited in different ways, preferably with the following procedures:
a) Electrolisis, mediante depósitos electrolíticos con grosor entre 0,01 y 10 mm. Dichos depósitos podrán ser superpuestos, es decir, deponer una primera lámina de material termoeléctrico, seguida por otra lámina de un material distinto pudiéndose repetir este proceso tantas veces como las condiciones de maximización del rendimiento de cada dispositivo así lo requieran. La sencillez técnica requerida para llevar a cabo este proceso y su bajo coste, lo hacen especialmente interesante de cara a su aplicación industrial. A nivel técnico es la que ofrece una mayor calidad en lo referente al contacto eléctrico entre el material termoeléctrico y la pared exterior de cobre, la alta intensidad que circula por el sistema, requiere una minimización extrema de la resistencia que ofrezcen los contactos, de no ser así las altas temperaturas que se generarían podrían dañar el dispositivo. a) Electrolysis, by means of electrolytic deposits with a thickness between 0.01 and 10 mm. Said deposits may be superimposed, that is, to deposit a first sheet of thermoelectric material, followed by another sheet of a different material, and this process can be repeated as many times as the conditions for maximizing the performance of each device so require. The technical simplicity required to carry out this process and its low cost, make it especially interesting for its industrial application. On a technical level it is the one that offers the highest quality in relation to the electrical contact between the thermoelectric material and the outer copper wall, the high intensity that circulates through the system, requires an extreme minimization of the resistance offered by the contacts, of not being so the high temperatures that would be generated could damage the device.
b) Sputtering o pulverización catódica, este método de preparación de capas finas, resulta óptimo para ciertos materiales cuyos procesos electrolíticos pueden resultar costosos o medioambientalmente comprometedores. Las condiciones de su uso serán las mismas que en el caso de los depósitos electrolíticos. Su coste es el más elevado por lo cual es poco probable que sea usado como referente a nivel industrial, si bien, para casos concretos, puede ser de gran utilidad. b) Sputtering or sputtering, this method of preparing thin layers, is optimal for certain materials whose electrolytic processes can be costly or environmentally compromising. The conditions of its use will be the same as in the case of electrolytic deposits. Its cost is the highest, so it is unlikely to be used as a reference at the industrial level, although, for specific cases, it can be very useful.
c) Difusión térmica, otro método para realizar la deposición de las láminas de material con capacidad termoeléctrica encima de las paredes de cobre, es mediante la propiedad de difusión térmica de algunos materiales. El proceso consiste en colocar una lámina de material termoeléctrico y aplicar calor y presión durante un tiempo determinado. Una vez cumplidas las condiciones tanto de temperatura como de tiempo de contacto, ambos materiales el termoeléctrico y el cobre estarán soldados. Una parte de los átomos que componen tanto la pared de cobre como el material termoeléctrico habrá, difundido, es decir, parte de los átomos de la pared de cobre, penetrarán en la lámina de material termoeléctrico y parte de los átomos de la lámina de material termoeléctrico penetrarán en la pared de cobre. Este proceso da lugar a la soldadura o unión necesaria entre pared y lámina para el correcto funcionamiento del dispositivo. Este proceso permite obtener directamente las aleaciones termoeléctricas deseadas durante el proceso de fabricación eliminando una fase de aleación que pudiese realizarse mediante fusión o mediante sinterización. Aunque las materias primas deberán fundirse para poder darles la forma y prestaciones necesarias, no es necesario realizar otro c) Thermal diffusion, another method to perform the deposition of sheets of material with thermoelectric capacity on top of the copper walls, is through the thermal diffusion property of some materials. The process consists of placing a sheet of thermoelectric material and applying heat and pressure for a certain time. Once the conditions of both temperature and contact time have been met, both thermoelectric and copper materials will be welded. A part of the atoms that make up both the copper wall and the thermoelectric material will have diffused, that is, part of the copper wall atoms, will penetrate the sheet of thermoelectric material and part of the atoms of the material sheet Thermoelectric will penetrate the copper wall. This process results in the necessary welding or joining between wall and sheet for the correct operation of the device. This process allows the desired thermoelectric alloys to be obtained directly during the manufacturing process by eliminating an alloy phase that could be carried out by melting or sintering. Although the raw materials must be melted in order to give them the necessary form and benefits, it is not necessary to perform another
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proceso de fusión para mezclar distintos materiales, pudiéndose obtener las aleaciones directamente en el momento de soldar las distintas partes del dispositivo termoeléctrico. melting process to mix different materials, being able to obtain the alloys directly at the time of welding the different parts of the thermoelectric device.
d) Inmersión, este método es de más interés para una disposición en forma de tubo. Es un método bastante utilizado en la industria. Consiste en hacer circular el tubo a través de diferentes piscinas con material fundido en su interior, de tal modo que el material fundido impregna el tubo que circula por su interior creando la lámina requerida para este dispositivo termoeléctrico. Su coste y capacidad productiva son óptimos, en aquellos casos donde sea posible su utilización sin duda será una opción a tener en cuenta, principalmente si se trata de partidas de tubo gran tamaño. d) Immersion, this method is of more interest for a tube-shaped arrangement. It is a method widely used in the industry. It consists in circulating the tube through different pools with molten material inside, so that the molten material permeates the tube that circulates inside creating the sheet required for this thermoelectric device. Its cost and productive capacity are optimal, in those cases where its use is possible, it will undoubtedly be an option to take into account, especially if it is large-sized tube items.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompañan como parte integrante de dicha descripción, las siguientes figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, the following figures are attached as an integral part of said description, where the following is illustrated and not limited to:
Figura 1.- Representa un esquema de un corte horizontal de la configuración del dispositivo objeto de la presente invención. Figure 1.- Represents a diagram of a horizontal section of the configuration of the device object of the present invention.
Figura 2.- Representa un esquema de un corte horizontal de la configuración de un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0ºC y 150 ºC que contiene 3 capas o láminas de material termoeléctrico conformadas con Bi y Sb con una interfase o capa intermedia de BiSb, en donde la capa de Sb se localiza en la zona de mayor exposición térmica y la capa de Bi en la zona de menor exposición térmica. Figure 2.- Represents a diagram of a horizontal section of the configuration of a device that supports a temperature range between 0 ° C and 150 ° C containing 3 layers or sheets of thermoelectric material formed with Bi and Sb with an interface or intermediate layer of BiSb , where the Sb layer is located in the area of greatest thermal exposure and the layer of Bi in the area of least thermal exposure.
Figura 3.- Representa un esquema ilustrativo de una configuración preferida compuesta por un tubo o placa de metal con buena conductividad eléctrica “A” (fabricada en Cu, Fe o Al, entre otros) recubierta de una capa de grosor comprendido entre 0,01mm y 1cm de material termoeléctrico “B” (de Bi, Sn o Zn, entre otros). Finalmente entre las dos capas de material termoeléctrico se añade una capa de material termoeléctrico “C” para que mediante un proceso de difusión térmica obtenida mediante la aplicación de calor y presión suelden las dos partes del dispositivo diseñado. Figure 3.- Represents an illustrative scheme of a preferred configuration composed of a metal tube or plate with good electrical conductivity “A” (manufactured in Cu, Fe or Al, among others) covered with a layer of thickness between 0.01mm and 1cm of thermoelectric material "B" (from Bi, Sn or Zn, among others). Finally, between the two layers of thermoelectric material, a layer of thermoelectric material "C" is added so that, by means of a thermal diffusion process obtained by applying heat and pressure, the two parts of the designed device weld.
Figura 4.- Representa un esquema ilustrativo de una configuración preferida compuesta un primer bloque compuesto por una pared metálica con alta conductividad eléctrica (A) unido mediante un proceso electrolítico a un material con gran capacidad de generación termoeléctrica (B) (de Sb, Bi, Zn ó Te, entre otros). El segundo bloque constará de una pared metálica igual a la del primero unida a un material termoeléctrico (C). Al aplicar de forma combinada presión y calor la difusión que se produce entre los materiales termoeléctricos da lugar a una aleación D. Una parte de los materiales C y B no reacciona por difusión con el otro actuando de nexo entre la aleación central y las paredes metálicas. Figure 4.- Represents an illustrative scheme of a preferred configuration composed of a first block composed of a metal wall with high electrical conductivity (A) joined by an electrolytic process to a material with large thermoelectric generation capacity (B) (from Sb, Bi , Zn or Te, among others). The second block will consist of a metal wall equal to that of the first connected to a thermoelectric material (C). By applying pressure and heat together the diffusion that occurs between the thermoelectric materials results in an alloy D. One part of the materials C and B does not react by diffusion with the other acting as a link between the central alloy and the metal walls .
Las realizaciones preferentes que se indican a continuación, se proporcionan como parte integrante de la descripción, con fines ilustrativos no limitativos, con la finalidad de una mejor comprensión de la invención. The preferred embodiments indicated below are provided as an integral part of the description, for illustrative, non-limiting purposes, for the purpose of a better understanding of the invention.
Realización 1: Dispositivo 1 obtenido por difusión térmica. Embodiment 1: Device 1 obtained by thermal diffusion.
La primera configuración preferida esta compuesta por un tubo o placa de metal con buena conductividad eléctrica “A” (fabricada en Cu, Fe o Al, entre otros) recubierta de una capa de grosor comprendido entre 0,01mm y 1cm de material termoeléctrico “B” (de Bi, Sn o Zn, entre otros). Finalmente entre las dos capas de material termoeléctrico se añade una capa de material termoeléctrico “C” para que mediante un proceso de difusión térmica obtenida mediante la aplicación de calor y presión suelden las dos partes del dispositivo diseñado. The first preferred configuration is composed of a metal tube or plate with good electrical conductivity "A" (manufactured in Cu, Fe or Al, among others) covered with a layer of thickness between 0.01mm and 1cm of thermoelectric material "B ”(From Bi, Sn or Zn, among others). Finally, between the two layers of thermoelectric material, a layer of thermoelectric material "C" is added so that, by means of a thermal diffusion process obtained by applying heat and pressure, the two parts of the designed device weld.
El esquema de realización de dicho dispositivo se representa en la figura 3. The scheme of embodiment of said device is shown in Figure 3.
Según se muestra en el esquema de obtención del modulo generador del dispositivo con la finalidad de unir el material C con las placas compuestas de A y B, se aplicará un calor y una presión determinadas por las características de los materiales empleados. Al producirse la difusión el material C desaparece en su practica totalidad para dar lugar a la aleación C’, compuesta por C y por B. Parte del material B no reacciona con C actuando de nexo entre la aleación C’ y las paredes metálicas A. As shown in the scheme for obtaining the generator module of the device in order to join the material C with the plates composed of A and B, a heat and pressure determined by the characteristics of the materials used will be applied. When diffusion occurs, material C disappears almost completely to give rise to alloy C ’, composed of C and B. Part of material B does not react with C acting as a link between alloy C’ and metal walls A.
Tal y como se ha comentado anteriormente, mediante el uso de la difusión térmica, es posible eliminar una fase de mezcla de metales para la obtención de la aleación termoeléctrica deseada, pudiéndose obtener ésta, directamente en el proceso de fabricación o etapa soldadura. Esta es una de las principales ventajas frente a los dispositivos y métodos constructivos actuales. As previously mentioned, through the use of thermal diffusion, it is possible to eliminate a metal mixing phase to obtain the desired thermoelectric alloy, which can be obtained directly in the manufacturing process or welding stage. This is one of the main advantages over current devices and construction methods.
Realización 2: Dispositivo 2 obtenido por difusión térmica. Embodiment 2: Device 2 obtained by thermal diffusion.
La segunda configuración preferida esta compuesta por 2 bloques que serán unidos mediante calor y presión que provocarán el efecto de difusión necesario para unir mediante soldadura los dos bloques. The second preferred configuration is composed of 2 blocks that will be joined by heat and pressure that will cause the diffusion effect necessary to weld the two blocks together.
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El primer bloque está compuesto por una pared metálica con alta conductividad eléctrica (A) unido mediante un proceso electrolítico a un material con gran capacidad de generación termoeléctrica (B) (de Sb, Bi, Zn o Te, entre otros). El segundo bloque constará de una pared metálica igual a la del primero unida a un material termoeléctrico (C). The first block consists of a metal wall with high electrical conductivity (A) connected by an electrolytic process to a material with a large capacity for thermoelectric generation (B) (Sb, Bi, Zn or Te, among others). The second block will consist of a metal wall equal to that of the first connected to a thermoelectric material (C).
Según se muestra en el esquema de la figura 4, en el caso de esta configuración al aplicar de forma combinada presión y calor la difusión que se produce entre los materiales termoeléctricos da lugar a una aleación D. Una parte de los materiales C y B no reacciona por difusión con el otro actuando de nexo entre la aleación central y las paredes metálicas. Un ejemplo es utilizar como (B) Bismuto y como (C) Antimonio. Al someter a calor y presión se produce la difusión que genera BiSb. Fruto de las características de cada uno de estos materiales, el Bi deberá estar en contacto con la pared metálica utilizada como foco frío, mientras que el Sb estará en contacto con la pared metálica foco caliente (ver figura 4). As shown in the scheme of Figure 4, in the case of this configuration when applying pressure and heat in a combined manner the diffusion that occurs between the thermoelectric materials gives rise to an alloy D. A part of the materials C and B does not reacts by diffusion with the other acting as a link between the central alloy and the metal walls. An example is to use as (B) Bismuth and as (C) Antimony. When subjected to heat and pressure, the diffusion generated by BiSb occurs. As a result of the characteristics of each of these materials, the Bi must be in contact with the metal wall used as a cold spot, while the Sb will be in contact with the hot spot metal wall (see figure 4).
Como resumen de todo lo anteriormente expuesto en este apartado descriptivo y como base descriptiva de las reivindicaciones se expone lo siguiente: The following is presented as a summary of all of the foregoing in this descriptive section and as a descriptive basis of the claims:
DE acuerdo con un aspecto importante de la presente invención, ésta se refiere a un dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje que comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto que se caracteriza porque presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas. According to an important aspect of the present invention, this refers to a device for generating electric power with high intensity and low voltage comprising at least three layers with the same contact surface that is characterized in that it has two outer layers formed by materials with high thermal and electrical conductivity and at least one inner layer formed by materials with thermoelectric properties.
Según otro aspecto esencial, el material de las capas exteriores es cobre, preferentemente cobre PMA y el dispositivo comprende 1 o varias capas interiores, en donde el material de la capa interior o capas interiores varía en función de rangos de temperatura y son al menos uno del grupo formado por Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, Te o Se. According to another essential aspect, the material of the outer layers is copper, preferably PMA copper and the device comprises 1 or several inner layers, wherein the material of the inner layer or inner layers varies depending on temperature ranges and are at least one of the group formed by Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, Te or Se.
De acuerdo con otro aspecto importante, el dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje se caracteriza porque los materiales de la capa interior son: According to another important aspect, the device for generating electrical power with high intensity and low voltage is characterized in that the materials of the inner layer are:
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- BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 o SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0,1%) dispuestos en varias capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 400ºC y 600ºC. BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 or SnAg (with an amount of Sn of 2% and Ag of 0.1%) arranged in several layers, for a device that supports a temperature range between 400 ° C and 600 ° C.
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- Bi y Sb dispuestos en al menos dos capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0ºC y 150 ºC, donde adicionalmente comprende una interfase de BiSb, situando el Sb en la zona de mayor exposición térmica y el Bi en la zona de menor exposición térmica. Bi and Sb arranged in at least two layers, for a device that supports a temperature range between 0 ° C and 150 ° C, where it additionally comprises a BiSb interface, placing the Sb in the area of greatest thermal exposure and the Bi in the area of Less thermal exposure
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- Zn4Sb3 o ZnSn dispuestos en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 250ºC y 450ºC. Zn4Sb3 or ZnSn arranged in a single layer, for a device that supports a temperature range between 250ºC and 450ºC.
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- AlSb dispuesto en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 450ºC y 750ºC. AlSb disposed in a single layer, for a device that supports a temperature range between 450 ° C and 750 ° C.
Según otro aspecto esencial, la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de dicho dispositivo que se caracteriza porque la capa o capas del material termoeléctrico se depositan mediante un proceso seleccionado de los siguientes: electrólisis, pulverización catódica, difusión térmica, inmersión o soldadura. De forma preferente, en el caso de existir varias capas éstas se unen por un método de difusión aplicando calor y presión. According to another essential aspect, the present invention relates to a method of obtaining said device characterized in that the layer or layers of the thermoelectric material are deposited by a process selected from the following: electrolysis, cathodic spraying, thermal diffusion, immersion or welding . Preferably, in the case of several layers, they are joined by a diffusion method applying heat and pressure.
Según otro aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo generador de potencia eléctrica obtenido por el proceso descrito en el párrafo anterior. According to another aspect, the present invention relates to an electric power generating device obtained by the process described in the previous paragraph.
Claims (10)
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- BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 o SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0,1%) dispuestos en varias capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 400ºC y 600ºC. BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 or SnAg (with an amount of Sn of 2% and Ag of 0.1%) arranged in several layers, for a device that supports a temperature range between 400 ° C and 600 ° C.
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- Bi y Sb dispuestos en al menos dos capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0ºC y 150 ºC, donde adicionalmente comprende una interfase de BiSb, situando el Sb en la zona de mayor exposición térmica y el Bi en la zona de menor exposición térmica. Bi and Sb arranged in at least two layers, for a device that supports a temperature range between 0 ° C and 150 ° C, where it additionally comprises a BiSb interface, placing the Sb in the area of greatest thermal exposure and the Bi in the area of Less thermal exposure
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- Zn4Sb3 o ZnSn dispuestos en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 250ºC y 450ºC. Zn4Sb3 or ZnSn arranged in a single layer, for a device that supports a temperature range between 250ºC and 450ºC.
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- AlSb dispuesto en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 450ºC y 750ºC. AlSb disposed in a single layer, for a device that supports a temperature range between 450 ° C and 750 ° C.
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- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected
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- GB 909484 A (SIEMENS AG ) 31.10.1962 , Todo el documento 1-5,7,8,9 GB 909484 A (SIEMENS AG) 31.10.1962, Entire document 1-5,7,8,9
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- JP 2002246658 A (TOYO KOHAN CO LTD) 30.08.2002, Párrafos [0001]-[0006], [0010]-[0011] 1-5,7,8,9 JP 2002246658 A (TOYO KOHAN CO LTD) 30.08.2002, Paragraphs [0001] - [0006], [0010] - [0011] 1-5,7,8,9
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- WO 2009029393 A2 (BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE; LAUDO JOHN S) 05.03.2009, Resumen; figura 2. 1,2 WO 2009029393 A2 (BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE; LAUDO JOHN S) 05.03.2009, Summary; figure 2. 1.2
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- US 5009071 A (KALI CHEMIE AG) 23.04.1991, Resumen 6 US 5009071 A (KALI CHEMIE AG) 04/23/1991, Summary 6
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- US 2005271916 A1 (GM GLOBAL TECH OPERATIONS INC) 08.12.2005, Párrafo [0028],[0044] 6 US 2005271916 A1 (GM GLOBAL TECH OPERATIONS INC) 08.12.2005, Paragraph [0028], [0044] 6
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- EP 1728880 A1 (UNIV AARHUS; DEUTSCH ZENTR LUFT & RAUMFAHRT) 06.12.2006, Resumen. 6 EP 1728880 A1 (UNIV AARHUS; DEUTSCH ZENTR LUFT & RAUMFAHRT) 06.12.2006, Summary. 6
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- US 6444894 B1 (BASF AG) 03.09.2002, Reivindicación 1 6 US 6444894 B1 (BASF AG) 03.09.2002, Claim 1 6
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 27.04.2012 Date of realization of the report 27.04.2012
- Examinador L. J. García Aparicio Página 1/5 Examiner L. J. García Aparicio Page 1/5
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones 6 Reivindicaciones 1-5,7-9 SI NO Claims 6 Claims 1-5,7-9 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-9 SI NO Claims Claims 1-9 IF NOT
- Documento Document
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
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