ES2882616T3 - Pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica integrado para sistema de frenos - Google Patents

Abstract

Una pastilla de freno (1), que comprende una placa posterior (2), una pastilla de material de fricción (4), y al menos un módulo termoeléctrico (6) que comprende elementos semiconductores de tipo P y N, dicho módulo termoeléctrico (6) que tiene una primera superficie principal (6a) y una segunda superficie principal (6b) opuesta a dicha primera superficie principal (6a), un primer intercambiador de calor (5) que se proporciona en contacto con dicha primera superficie principal (6a) de dicho módulo termoeléctrico (6), caracterizado porque dicha placa posterior (2) se proporciona con al menos un agujero pasante (3) en donde al menos dichos elementos semiconductores dopados con N y P de dicho módulo termoeléctrico (6) están integrados, y en que se proporciona un segundo intercambiador de calor (7) alojado en dicho agujero pasante (3) en contacto con dicha segunda superficie principal (6b) de dicho módulo termoeléctrico (6).

Description

DESCRIPCIÓN

Pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica integrado para sistema de frenos

La presente invención se refiere a una pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrico integrado, diseñada y construida para usar en cualquier sistema de freno con sistema de frenado rotativo o lineal, así como también en un vehículo, molino de viento, ferrocarril, electromotor, etc.

El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura entre dos lados del material termoeléctrico en tensión eléctrica y, a la inversa, puede crear una diferencia de temperatura aplicándole una tensión eléctrica.

Este efecto se obtiene en algunos dispositivos hechos de tales materiales, generalmente semiconductores, que está compuesto por muchos elementos semiconductores de tipo N y tipo P. Un potencial de tensión que es proporcional a dicha diferencia de temperatura entre dos lados de los elementos termoeléctricos se crea siempre que haya una diferencia de temperatura en los dos lados de los elementos semiconductores.

La razón de este efecto (efecto Seebeck) es que los portadores de carga se difunden desde el lado caliente del material semiconductor al lado frío del material.

Un dispositivo termoeléctrico se compone esencialmente de dos materiales semiconductores, el primero dopado n y el segundo dopado p. En los dos extremos de tales materiales semiconductores está presente una interconexión eléctrica que a veces puede integrar también la funcionalidad del intercambiador de calor, es decir, un material de alta conductividad térmica. En el otro lado, dos interconexiones eléctricas distintas e intercambiadores de calor dividen el lado p y n del dispositivo. Los dos extremos diferentes se acoplan luego a diferentes fuentes térmicas (una fría y una segunda cálida). De esta forma en el lado opuesto del lado p y n aparece una diferencia de tensión debido al efecto termoeléctrico. Si se cierra una carga entre los dos lados del circuito, se observa que fluye una corriente y el dispositivo se comporta como un generador eléctrico.

Los dispositivos termoeléctricos se han usado en varios campos de aplicación. El sistema de frenos es uno de los campos de aplicación potenciales para dicha tecnología, en vista del hecho de que los frenos de fricción producen grandes cantidades de energía térmica y, por lo tanto, en principio, se puede recuperar la cantidad correspondiente de energía eléctrica. Sólo por citar algunos ejemplos, un vehículo de una masa de 1500 kg frenado hasta el bloqueo desde una velocidad inicial de 100 km/h, disipa unos f MJ por las fuerzas de fricción, con el consecuente aumento significativo de la temperatura interna de las pastillas. Esto significa que aproximadamente 1/8 de dicha energía térmica se distribuye entre las 8 pastillas que componen un sistema de frenado típico de un automóvil y, por lo tanto, incluso si solo se convierte una porción muy pequeña de dicha energía (4 - 5 %), la cantidad de la energía recuperada puede ser lo suficientemente grande como para permitir aplicaciones significativas. Esta es la razón fundamental por la que se han llevado a cabo numerosas actividades R&D en todo el mundo para intentar recuperar la energía térmica de los frenos de fricción. Los puntos clave para la fabricación de dicho sistema de recolección de energía se describen a continuación.

En primer lugar, es relevante la maximización de la eficiencia mediante un intercambio de calor efectivo y la maximización del gradiente térmico entre los lados frío y cálido mediante un diseño adecuado.

Entonces, una importancia comparable tiene la definición de un diseño para el Generador Termoeléctrico (a partir de ahora también referido como TEG) y su esquema de integración en una pastilla de freno, que debe ser fácilmente integrado con un impacto mínimo en el diseño y las propiedades de la pastilla de freno, pero con un grado notable de fiabilidad.

Con respecto a este último punto a menudo subestimado, es de hecho importante estudiar un módulo TEG realmente integrado en una pastilla de freno, ya que cambios sustanciales en la estructura de la pastilla de freno o en la placa posterior de la pastilla de freno pueden desencadenar cambios en el comportamiento de NVH (es decir, ruido, vibración y dureza de la pastilla de freno) o en el rendimiento de la pastilla de freno. Un enfoque invasivo en la superficie de la placa posterior en el lado del material de fricción puede inducir problemas en el lado del desprendimiento del material de fricción, ambos muy importantes y bloqueantes para una aplicación real de la tecnología. Analizando algunas de las técnicas anteriores más relevantes encontramos diferentes enfoques. Por ejemplo, el documento JP 58 037329 describe una solución hecha con algunos gránulos termoeléctricos de P&N interconectados en serie y formando un conjunto situado en una estructura específica en la parte posterior de la pastilla y que tiene una capa eléctricamente aislante en la placa posterior para evitar los cortocircuitos. Esta solución, aunque poco invasiva, difícilmente se puede usar en aplicaciones reales, lo que implica un rediseño sustancial de una pinza o una pastilla para tener en cuenta el notable cambio de grosor de la pastilla modificada con TEG. Además, un inconveniente importante proviene de la poca diferencia de temperatura que se espera de los dos lados de la estructura que se encuentra en el lado opuesto con respecto al material de fricción (el lado caliente de la pastilla) y que tiene un grosor pequeño, lo que tiene el resultado de dar a la solución una eficiencia pobre.

El documento JP 11-220804 describe en cambio un sistema integrado en una pinza, compuesto por un tubo de calor conectado a la pinza y en contacto con el generador termoeléctrico externo a la pinza, y el freno, generalmente en el otro lado en contacto con un radiador para proporcionar el lado frío del elemento. El mayor inconveniente de esta invención está relacionado con la elección de la pinza como fuente de calor, ya que entre los componentes de un sistema de frenos (rotor, pastilla y pinza) es el más frío con notable diferencia en la temperatura máxima alcanzada, resultando por tanto intrínsecamente menos eficiente con respecto a la solución basada en rotores o pastillas.

El documento WO 2012/041321 A1 se refiere a un sistema para recuperar energía residual de las pastillas de freno de una embarcación o una planta y, más particularmente, a un sistema adaptado para usar la energía residual que carga una batería o capacitor de la vasija o de la planta.

Los documentos US 2012/0000737 y WO 2010/109592 describen una solución para la integración de módulos termoeléctricos en una pastilla compuesta por múltiples miembros termoeléctricos integrados en la placa posterior en el lado del elemento de fricción o en el rebaje de la placa posterior siempre en el lado del material de fricción. Sobre tales elementos termoeléctricos se describe una estructura cilíndrica compuesta por un tubo exterior de material de alta fricción y una cavidad interior con materiales de nanotubos de carbono como intercambiadores de calor. Los principales inconvenientes de estas soluciones son que, si bien han mejorado mucho con respecto a las anteriores en términos de eficiencia, todavía hay margen para mejoras, en particular debido a la conductividad térmica limitada del acero que compone los materiales de la placa posterior con respecto a otros metales. mejor rendimiento desde este punto de vista, y también porque el gradiente térmico está limitado al comprendido entre la superficie del material de fricción y la placa posterior en el lado del material de fricción. Además, todavía existe un problema importante relacionado con la capacidad de fabricación y confiabilidad de dichos componentes, siendo los módulos termoeléctricos integrados en la superficie de la placa posterior de la pastilla y en adelante están expuestos a la presión y fuerzas intensas durante el proceso de fabricación y las condiciones de funcionamiento de la pastilla de freno, donde la presión puede alcanzar hasta 400 bar y más. Por último, pero no menos importante, en la configuración con los rebajes en la placa posterior, se pueden inducir diferentes comportamientos en las propiedades NVH de la pastilla, además pueden ocurrir problemas graves de desprendimiento del material de fricción debido a problemas de adhesión.

Como último caso analizado, la Universidad de Aalborg dio a conocer una pastilla de freno de generador termoeléctrico, que comprende una serie de elementos generadores termoeléctricos, una pluralidad de elementos de conexión térmica en contacto con el rotor por un lado y con los elementos termoeléctricos por el otro lado, que tiene medios para producir electricidad durante el frenado y la transferencia de calor del rotor al cuerpo del freno, y con las características adicionales de tener un sensor para proporcionar energía eléctrica al convertir la temperatura del rotor, medios de controla para comunicarse con el sensor de temperatura con capacidad de conmutación adicional a diferentes modos de funcionamiento. Aparte de las fuertes limitaciones intrínsecas en los requisitos de la invención descrita, en cuanto a los casos analizados anteriormente, aún no se abordan los problemas de confiabilidad y capacidad de fabricación. De hecho, por ejemplo, la presión procedente de la reacción del rotor sobre la pastilla se propagará desde los elementos de conexión térmica directamente hacia los elementos termoeléctricos de forma potencialmente perturbadora debido a los niveles de presión experimentados por las pastillas de freno.

El objeto de la presente invención es proporcionar una pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica integrado para cualquier sistema de frenado, que supere las limitaciones que sufren las aplicaciones termoeléctricas conocidas en los frenos.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica integrado para cualquier sistema de frenado que tenga una diferencia de temperatura mejorada disponible para el módulo termoeléctrico.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica para cualquier sistema de frenado que tenga un impacto reducido en el dispositivo de frenado para la integración del módulo termoeléctrico para eliminar cualquier problema relacionado con cambios en el comportamiento de NVH o cambios en los rendimientos del dispositivo de frenado, o incluso peor, la resiliencia del desprendimiento por fricción a las fuerzas de cizallamiento.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pastilla de freno con recolector de energía termoeléctrica para cualquier sistema de frenado que tenga una fiabilidad a largo plazo mejorada y una resistencia a la carga de presión.

Los objetos de la presente invención se consiguen mediante una pastilla de freno que comprende una placa posterior, una pastilla de material de fricción y al menos un módulo termoeléctrico que comprende elementos semiconductores tipo P y N, caracterizado porque en dicha placa posterior se proporciona al menos un agujero pasante en donde al menos dichos elementos semiconductores de tipo P y N de dicho módulo termoeléctrico están integrados.

En una modalidad de la invención dicho módulo termoeléctrico está completamente integrado en dicho agujero. Ventajosamente, un primer y un segundo intercambiadores de calor se colocan en contacto con superficies opuestas de dicho módulo termoeléctrico.

Ventajosamente, dicho agujero pasante tiene una abertura del primer extremo en una superficie principal interna de dicha placa posterior y una abertura del segundo extremo en una superficie principal externa de dicha placa posterior paralela a dicha superficie principal interna.

Preferentemente, dicho agujero pasante es uno de los agujeros de espiga presentes en una placa posterior de pastilla de freno típica de tipo conocido adecuadamente procesada para integrar dicho módulo termoeléctrico.

En una modalidad preferida de la invención dicho módulo termoeléctrico está en forma de una placa que tiene una primera superficie principal orientada a dicha superficie principal interna de dicha placa posterior y una segunda superficie principal orientada a dicha superficie principal externa de dicha placa posterior.

En una modalidad preferida de la invención dicha placa tiene dicha primera superficie principal plana y paralela a dicha superficie principal interna de dicha placa posterior y una segunda superficie principal plana y paralela a dicha superficie principal externa de dicha placa posterior.

En una modalidad preferida de la invención, dichas primera y segunda superficies principales de dicho módulo termoeléctrico están ubicadas dentro de dicho agujero pasante.

En una modalidad preferida de la invención, dicho primer intercambiador de calor está posicionado en contacto sobre dicha primera superficie principal de dicho módulo termoeléctrico y dicho segundo intercambiador de calor está posicionado en contacto sobre dicha segunda superficie principal de dicho módulo termoeléctrico.

En una modalidad de la invención, dicho primer intercambiador de calor se extiende en un canal de dicha pastilla de fricción.

En una modalidad de la invención dicho primer intercambiador de calor se fija a la pared de material de fricción de dicho canal de dicha pastilla de fricción.

En una modalidad de la invención dicho primer intercambiador de calor está al ras con una superficie principal externa de dicha pastilla de fricción.

En una modalidad de la invención dicho primer intercambiador de calor se extiende en un canal de una capa inferior interpuesta entre dicha pastilla de fricción y dicha placa posterior.

En una modalidad preferida de la invención dicho segundo intercambiador de calor está al ras con dicho segundo extremo de dicho agujero pasante.

En una modalidad de la invención al menos uno de dichos primeros y segundos intercambiadores de calor se hace de grafito.

En una modalidad preferida de la invención, dicho agujero pasante comprende una primera sección de extremo cilíndrica que incluye dicho primer extremo de dicho agujero pasante y que tiene un primer diámetro, una sección intermedia cilíndrica que tiene un segundo diámetro mayor que dicho primer diámetro y una segunda sección de extremo cilíndrica que incluye dicho segundo extremo de dicho agujero pasante y que tiene un tercer diámetro mayor que dicho segundo diámetro.

En una modalidad preferida de la invención dicho primer y segundo intercambiadores de calor tienen forma cilíndrica.

En una modalidad preferida de la invención, dicho primer intercambiador de calor se acopla a dicha primera sección de extremo cilíndrica de dicho agujero pasante y dicho segundo intercambiador de calor se acopla a dicha segunda sección de extremo cilíndrica de dicho agujero pasante.

En una modalidad de la invención dicho primer intercambiador de calor tiene una porción de extremo cilíndrica estrechada que acopla dicha placa posterior alrededor de dicha primera sección de extremo cilíndrica de dicho agujero pasante.

En una modalidad preferida de la invención, dicho módulo termoeléctrico se aloja en dicha sección intermedia cilíndrica de dicho agujero pasante.

En una modalidad de la invención, la placa posterior tiene una pluralidad de agujeros pasantes y una pluralidad de módulos termoeléctricos interconectados, cada módulo termoeléctrico que se integra en un agujero pasante correspondiente.

La presente invención también describe un dispositivo de frenado que comprende la pastilla de freno anterior y una unidad de gestión de energía conectada a dicho módulo termoeléctrico, dicha unidad de gestión de energía que comprende una lógica de control, un circuito eléctrico de alimentación a una carga y un acumulador de energía conectado a dicho circuito eléctrico de alimentación.

En una modalidad preferida de la invención dicho circuito eléctrico de alimentación comprende una pluralidad de interruptores que conmutan entre un estado de carga y un estado de descarga, y dicho acumulador de energía comprende una pluralidad de capacitores o Supercapacitores, en dicho estado de carga dichos interruptores conectan en paralelo dichos capacitores o Supercapacitores y en dicho estado de descarga dichos interruptores conectan en serie dichos capacitores (Supercapacitores).

Las características y ventajas adicionales de la presente invención se evidenciarán a partir de la siguiente descripción de una modalidad ilustrativa no limitante proporcionada puramente a manera de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La Figura 1 muestra un perfil típico de temperatura en una pastilla de freno después o durante algunas aplicaciones de frenado;

La Figura 2 muestra un esquema de un módulo termoeléctrico simple;

La Figura 3a muestra una vista en planta de una placa posterior con agujeros de espiga;

La Figura 3b muestra una vista en planta de un detalle de una placa posterior con un agujero de espiga procesado para ser adaptado para integrar un módulo termoeléctrico de acuerdo con la presente invención;

La Figura 4a muestra una vista despiezada de la pastilla de freno de acuerdo con una primera modalidad de la invención;

La Figura 4b muestra una vista en sección de un detalle ampliado de la pastilla de freno de la primera modalidad; La Figura 5 muestra una vista en perspectiva de la pastilla de freno de la Figura 4 de la que se han retirado el módulo termoeléctrico y los intercambiadores de calor para una mejor comprensión;

La Figura 6 es una vista en planta de la pastilla de freno de acuerdo con una segunda modalidad de la invención; La Figura 7 muestra una sección de la pastilla de freno tomada a lo largo de las líneas A-A de la Figura 6;

La Figura 8 muestra un detalle ampliado de la Figura 7;

La Figura 9 es una vista en planta de la pastilla de freno de acuerdo con una tercera modalidad de la presente invención;

La Figura 10 muestra una sección de la pastilla de freno tomada a lo largo de las líneas A-A de la Figura 9;

La Figura 11 muestra un detalle ampliado de la Figura 10;

Las Figuras 12a y 12b muestran una posible conexión en paralelo y en serie respectivamente de módulos termoeléctricos de la presente invención;

La Figura 13a muestra la unidad de gestión de energía de un dispositivo de frenado que incluye una pastilla de freno de acuerdo con la presente invención;

La Figura 13b muestra una modalidad del acumulador de energía de la unidad de gestión de energía de la Figura 13a; Las Figuras 14a y 14b muestran el circuito de alimentación en estado de carga y en estado de descarga respectivamente;

Las Figuras 15a y 15b muestran esquemas de la pastilla de freno de un primer y respectivamente un segundo prototipo usadas para las pruebas;

La Figura 16 muestra datos adquiridos del prototipo A; y

La Figura 17 muestra los datos adquiridos del prototipo A bajo carga.

Con referencia a las figuras, las partes equivalentes en diferentes modalidades de la invención se etiquetarán con el mismo número de referencia.

La pastilla de freno 1, por ejemplo de un vehículo, comprende una placa posterior 2, una pastilla de material de fricción 4 y uno o más módulos termoeléctricos 6 que comprenden cada uno de manera conocida elementos semiconductores dopados N y P.

La pastilla de freno 1 también está equipada con una capa inferior 8 interpuesta entre la pastilla de fricción 4 y la placa posterior 2.

La pastilla de material de fricción 4 está en una superficie principal interna 2a de la placa posterior 2.

La placa posterior 2 tiene la superficie principal plana interna 2a y una superficie principal plana externa 2b paralela a la superficie principal plana externa 4a.

La pastilla de fricción 4 tiene una superficie principal plana externa 4a y una superficie principal plana interna 4b paralela a la superficie principal plana externa 4a.

La capa inferior 8 tiene una primera superficie principal plana 8a y una segunda superficie plana principal 8b paralela a la primera superficie plana principal 8a.

La primera superficie plana principal 8a de la capa inferior 8 se acopla con la superficie plana principal interna 4b de la pastilla de fricción 4, mientras que la segunda superficie plana principal 8b de la capa inferior 8 se acopla con la superficie plana principal interna 2a de la placa posterior 2.

La placa posterior 2, generalmente de metal, está ventajosamente provista de uno o más agujeros pasantes 3 (comúnmente conocidos como Agujeros de espiga).

Ventajosamente, cada módulo termoeléctrico 6 está totalmente integrado en el correspondiente agujero pasante 3 de la placa posterior 2.

En otra modalidad de la invención diferente no mostrada, no todo el módulo termoeléctrico 6 sino al menos los elementos semiconductores dopados con N y P del módulo termoeléctrico 6 están integrados en el agujero 3.

Cada agujero pasante 3 tiene un primer extremo 3a que abre en la superficie principal interna 2a de la placa posterior 2 y un segundo extremo 3b que abre en una superficie principal externa 2b de la placa posterior 2.

Preferentemente, cada agujero pasante 3 es un agujero de espiga de un tipo conocido y comúnmente presente en una placa posterior 2 y adecuadamente adaptado para integrar el módulo termoeléctrico 6.

Más detalladamente, cada agujero pasante 3 comprende una primera sección de extremo cilíndrica 3' que incluye dicho primer extremo 3a de dicho agujero pasante 3 y que tiene un primer diámetro D1, una sección intermedia cilíndrica 3” que tiene un segundo diámetro D2 mayor que el primer diámetro D1, y una segunda sección de extremo cilíndrica 3'” que incluye el segundo extremo 3b del agujero pasante 3 y que tiene un tercer diámetro D3 mayor que el segundo diámetro D2.

El módulo termoeléctrico 6 tiene forma de placa con una primera superficie principal 6a orientada hacia la superficie principal interna 2a de la placa posterior 2 y una segunda superficie principal 6b orientada hacia la superficie principal externa 2b de la placa posterior 2.

Más concretamente, la primera superficie principal 6a del módulo termoeléctrico 6 es paralela a la superficie principal interna 2a de la placa posterior 2 y la segunda superficie principal 2b del módulo termoeléctrico 6 es paralela a la superficie principal externa 2b de la placa posterior 2.

Más precisamente, la primera superficie principal 6a del módulo termoeléctrico 6 y la segunda superficie principal 6b del módulo termoeléctrico 6 están ubicadas dentro del agujero pasante 3.

Un primer intercambiador de calor 5 está situado en contacto con la primera superficie principal 6a del módulo termoeléctrico 6 y un segundo intercambiador de calor 7 está situado en contacto con la segunda superficie principal 6b del módulo termoeléctrico 6.

El primer intercambiador de calor 5 se extiende en un canal 9 de la capa inferior 8 y se puede extender además en un canal 10 de la pastilla de fricción 4 como se muestra en las modalidades de las Figuras 4 a 8.

El canal 9 se desarrolla a través de todo el grosor de la capa inferior 8, conectando así la pastilla de fricción 4 a la placa posterior 2.

El canal 10, si está previsto, puede desarrollarse a través de al menos una porción y preferentemente todo el grosor de la pastilla de fricción 4.

Preferentemente, cuando el canal 10 se desarrolla a través de todo el grosor de la pastilla de fricción 4, el primer intercambiador de calor 5 está a ras de la superficie exterior principal 4a de la pastilla de fricción 4.

El segundo intercambiador de calor 7 tiene un extremo a ras con el segundo extremo 3b del agujero pasante 3. El primer intercambiador de calor 5 y el segundo intercambiador de calor 7 tienen forma cilíndrica.

El primer intercambiador de calor 5 se acopla a la primera sección de extremo cilíndrica 3' del agujero pasante 3 y el segundo intercambiador de calor 7 se acopla a la segunda sección de extremo cilíndrica 3'" del agujero pasante 3. Preferentemente, el segundo intercambiador de calor 7 tiene la forma de una placa conjugada en forma con la segunda sección de extremo cilíndrica 3"' del agujero pasante 3.

En las modalidades mostradas en las Figuras 6 a 11, el primer intercambiador de calor 5 tiene una porción de extremo cilíndrica estrechada 5' que acopla la placa posterior 2 alrededor de la primera sección de extremo cilíndrica 3' de dicho agujero pasante 3. El módulo termoeléctrico 6 se aloja en la sección intermedia cilíndrica 3" del agujero pasante 3.

Para justificar el motivo de la solución propuesta, volvamos al perfil típico de temperatura en una pastilla de freno después o durante algunas aplicaciones de frenado, como se muestra en la Figura 1.

En la Figura 1 se muestra el perfil térmico de la pastilla de freno desde la superficie del rotor (lado caliente) hasta la placa posterior (lado frío).

Se ve que los dos últimos puntos medidos (al colocar sondas térmicas en el material de fricción, el rotor y la placa posterior) están relacionados con los dos lados de la placa posterior en el lado del material de fricción y lo opuesto. Se puede apreciar que 50 °C por encima de 200 °C (25 %) se pierden entre los dos lados de la placa posterior. Eso significa que más del 25 % de la eficiencia se puede recuperar mediante un diseño cuidadoso al colocar el intercambiador de calor del lado frío.

La invención aprovecha preferentemente los llamados agujeros de espiga que normalmente están presentes en la placa posterior de una pastilla de freno y que desempeñan un papel durante el prensado del material de fricción en el proceso de fabricación.

Los agujeros en espiga son ideales para la integración del módulo termoeléctrico en la pastilla de freno, ya que: no ofrecen ninguna contribución a la adherencia entre el material de fricción y la placa posterior; ponen en conexión de forma natural el lado interno de la placa posterior con su parte externa, ofreciendo así una ayuda ideal para maximizar el gradiente de temperatura; y no implican ninguna modificación mecánica o estructural de la pastilla de freno para entrar en contacto con el lado interior y exterior de la pastilla de freno, minimizando así el impacto pernicioso en el lado NVH o en el lado del rendimiento debido a este tipo de modificaciones mecánicas.

Vamos ahora a referirnos primero a la modalidad mostrada en las Figuras 4 y 5.

El agujero de espiga pasante en la placa posterior 2 se trabaja para integrar el módulo termoeléctrico 6 y el intercambiador de calor 5, 7. Para ello se fresa un primer rebaje de unos 2 a 3 mm de profundidad para crear la segunda sección de extremo cilíndrica 3'" del agujero pasante 3, y a continuación se fresa un segundo rebaje desde la parte inferior del primer rebaje para crear la sección cilíndrica intermedia 3" del agujero pasante 3 que separa las primera y segunda secciones de extremo cilíndricas 3', 3"' del agujero pasante 3.

También se crea el canal 9 a través de la capa inferior 8 y el canal roscado 10 a través de la pastilla de fricción 4. En este caso también el primer intercambiador de calor 5 del lado caliente es de metal y tiene roscas para enroscarse permanentemente con el canal roscado 10 de la pastilla de fricción 4.

El primer intercambiador de calor 5 está simplemente enroscado en el material de fricción que siendo lo suficientemente duro hace también la función mecánica de soportar el primer intercambiador de calor 5 en sí para proporcionar una liberación de presión sustancial sobre la superficie del módulo termoeléctrico subyacente 6. Sin embargo, en principio pueden pensarse otros métodos para fijar y sellar los dos elementos, como pegarlo a la pastilla de fricción con alguna resina estructural de alta temperatura de las familias de la silicona, la bismaleimida, la epoxídica, los cianuros de éster o la poliimida para rellenar cualquier hueco entre el primer intercambiador de calor 5 y el material de fricción y sellarlo para la absorción de agua.

La cara extrema del primer intercambiador de calor 5 debe ser plana para encajar con la correspondiente cara plana del módulo termoeléctrico 6. Como se ha dicho el módulo termoeléctrico 6 está compuesto por al menos dos uniones p-n opuestas (con respecto al lado caliente y frío) puestas en paralelo, las dos terminaciones o el módulo termoeléctrico están cerradas por dos cables de alta temperatura o por un circuito de serigrafía que lleva fuera del módulo la corriente generada.

Una superficie principal 6a del módulo 6 está en contacto directo con la correspondiente cara plana del primer intercambiador de calor 5 y puede usarse una fina capa de pasta conductora térmica de alta temperatura para mejorar el contacto térmico entre las partes 5 y 6. La otra superficie principal 6b del módulo 6 está en contacto con la correspondiente cara plana del segundo intercambiador de calor 7, que tiene forma de moneda.

Incluso en este caso puede usarse un pegamento conductor térmico de alta temperatura para mejorar el contacto térmico entre las partes 6 y 7 (preferentemente con una T operativa máxima > 200 °C). El intercambiador de calor del lado frío en forma de moneda 7 es plano y se hace de materiales con alta conductividad térmica que mantienen el lado frío del módulo 6 prácticamente hablando a la misma temperatura del lado externo de la placa posterior 2 o más baja debido a la conductividad térmica más alta de dicho material (Aluminio o cobre) con respecto al acero adoptado para las pastillas de freno estándar.

En cuanto al primer intercambiador de calor 5, pueden usarse otras soluciones técnicas en lugar de un agujero roscado para aliviar la presión sobre el módulo 6. Uno de ellas se mostrará en la siguiente modalidad que implica una forma diferente del intercambiador de calor del lado caliente 5 y un diseño cuidadoso de las cotizaciones para evitar una gran presión sobre dicho módulo 6.

El esquema de montaje del módulo 6 en esta primera modalidad es el siguiente.

El pasador metálico enroscado (el primer intercambiador de calor 5 en el lado caliente) se coloca en la primera sección de extremo cilíndrica 3' del agujero pasante 3. Se colocan pegamentos o selladores de alta temperatura en el agujero 3 para sellar el espacio entre la primera sección de extremo cilíndrica 3' del agujero pasante 3 y el pasador metálico enroscado.

Sobre la cara plana metálica del primer intercambiador de calor 5 se coloca una pasta térmica y sobre ella se coloca el elemento termoeléctrico 6 en la sección intermedia cilíndrica 3" del agujero pasante 3. Los cables o elementos de interconexión se colocan en el exterior de la placa posterior 2 en la superficie de la placa posterior 2 o en el centro de ella a través de alguna abertura para dejar pasar el cable.

Se coloca una pasta térmica o pegamento térmico sellante encima del elemento termoeléctrico 6 y el elemento de moneda metálico (el segundo intercambiador de calor 7 en el lado frío) se coloca sobre el mismo. El segundo intercambiador de calor 7 cierra completamente el agujero 3 dando lugar a un elemento metálico que se integra con la placa posterior 2 y se alinea perfectamente con su superficie para evitar la formación de arrastres no deseados en la pinza.

Una vez montada la pastilla de freno 1 está lista para usar en una pinza, y al interconectar los dos terminales (por los dos cables integrados en la pastilla de freno 1) se puede alimentar una carga por el módulo termoeléctrico 6 en la pastilla de freno 1 mientras exista un gradiente térmico en la pastilla de freno 1.

La presente primera modalidad tiene un límite claro debido a su intercambiador de calor metálico 5 que puede usarse sólo con disco de freno revestido, donde los problemas de desgaste no son relevantes. En estos casos especiales el intercambiador de calor se fabrica preferentemente con metales de alta conducción térmica y baratos (Aluminio y Cobre), pero en principio también pueden usarse otros materiales aislantes de alta conducción térmica como algunas cerámicas (Alúmina y otras).

Centrémonos ahora en la segunda modalidad mostrada en las Figuras 6 a 8.

Como dijimos en el último párrafo, un primer intercambiador de calor metálico puede usarse en casos limitados, como discos de freno revestidos, donde la acción de raspado de la inserción de metal en la pastilla en la superficie de un disco no es un problema debido al material de recubrimiento muy duro de los discos y un desgaste muy limitado de la pastilla. En todos los demás casos, no se podrá usar por la misma razón porque el disco se dañará rápidamente de forma irremediable.

En todos estos casos se debe usar un material suave con alta conductividad térmica para evitar daños en la superficie del disco. Un material con tales características es el grafito. De hecho, el grafito tiene una conductividad térmica comparable a la de muchos metales (generalmente comprendida entre 50-400 W/mK) y en algunos casos mayor que la del aluminio (A~ 180 W/mK).

La gran dispersión de los valores se debe a que la conductividad en el plano es mucho mayor que la conductividad intraplana (dos órdenes menor). En consecuencia, el valor real estará influenciado por el nivel de pureza y, sobre todo, por la orientación de los granos de la microestructura de los materiales de grafito que componen una varilla de grafito típica, en dependencia de la fracción de los granos orientados a lo largo del eje del cilindro de la varilla con el plano del grafito en esa dirección. La opción preferida es la de compuestos de grafito con una conductividad superior a 100 W/mK, y preferentemente superior a 200 W/mK, es decir, mejor que el caso metálico.

En comparación con la primera modalidad, en la segunda modalidad la principal diferencia es que al menos el primer intercambiador de calor 5 se hace de grafito. Este primer intercambiador de calor de grafito 5 está modelado de forma similar a la versión metálica, con una cara plana alineada con la correspondiente de la pastilla de material de fricción 4 y la otra cara plana acogiendo una cara plana correspondiente del módulo 6. Sin embargo, se muestra otra diferencia importante con respecto a la solución enroscada anterior para liberar la presión en el módulo 6: para liberar la presión en el módulo 6, el primer intercambiador de calor 5 tiene ahora la porción de extremo cilíndrica estrechada 5' que acopla la placa posterior 2 alrededor de la primera sección de extremo cilíndrica 3' del agujero pasante 3. De esta forma, se minimiza cualquier impacto potencial en las especificaciones de las pastillas de freno. El módulo termoeléctrico 6 está integrado en la placa posterior 2 de una manera similar a como se hizo para la cubierta de metal discutida anteriormente. El segundo intercambiador de calor 7 en el lado frío se puede hacer indistintamente con grafito o metal proporcionado como una moneda fina de material de alta conductividad térmica. Gracias a las propiedades del material de grafito, el primer intercambiador de calor de grafito 5 no interferirá con la acción de frenado de la pastilla de freno 1 y lo más importante no raspará la superficie del rotor, siendo la naturaleza lubricante del grafito, que también se usa en los materiales de fricción de las pastillas de freno para equilibrar las diferentes propiedades físicas de la pastilla. Además de eso, el primer intercambiador de calor de grafito se desgastará siguiendo el material de fricción dando como resultado una superficie siempre plana y alineada en contacto con el rotor, asegurando un buen contacto térmico con el tiempo y el proceso de desgaste de las pastillas.

Analicemos ahora la tercera modalidad mostrada en las Figuras 9 a 11.

La tercera modalidad es la que tiene un primer intercambiador de calor 5 corto en el lado cálido. En particular, en lugar de extenderse hasta el nivel del lado extremo del material de fricción para estar directamente en contacto con el rotor de frenado, se limitará al borde de la capa inferior 8.

Esta última configuración a pesar de ser menos eficiente, debido al menor gradiente térmico expuesto por las dos caras del módulo 6, tendrá una ventaja de fabricación con respecto a las dos anteriores, una integración mucho menos invasiva del módulo 6 y, por último pero no menos importante, un menor coste debido a las menores cantidades de materiales empleados. Esta es la modalidad favorita para todas las aplicaciones donde la energía producida no es el problema principal (aplicaciones de bajo presupuesto de energía) y, por lo tanto, incluye toda la aplicación de sensores inalámbricos en frenos de fricción o aplicaciones basadas en fricción (tambores de freno, embragues, etc.).

Los dos intercambiadores de calor 5, 7 en este caso específico pueden ser de metal o grafito indistintamente ya que los dos intercambiadores de calor 5, 7 estarán debajo del material de fricción de la pastilla de freno 4 y más abajo del nivel de la capa inferior 8. El diseño favorito será el que tenga el borde del primer intercambiador de calor 5 sustancialmente en línea con el límite de la capa inferior 8 para optimizar el gradiente térmico. Por lo tanto, el material empleado para los intercambiadores de calor 5, 7 será impulsado por cuestiones de costo y eficiencia en lugar de otras.

Todas las modalidades mostradas anteriormente tienen una extensión natural a un caso en el que se pueden realizar múltiples estructuras similares. Esto se puede hacer, por ejemplo, simplemente aprovechando todos los agujeros de espiga presentes en la pastilla de freno, que normalmente son 2 o 3 en una pastilla de freno estándar.

Por supuesto, también se pueden hacer uno o más agujeros 3 en la placa posterior 2 además de los que se derivan de los agujeros de espiga ya existentes para alojar más módulos 6 en la pastilla de freno 1, manteniendo el mismo diseño de los agujeros de espiga adaptados.

Los múltiples módulos 6 pueden interconectarse para permitir interconexiones en serie o en paralelo, en dependencia de si es necesario maximizar las salidas de tensión o las corrientes eléctricas, o ambas cosas (ver las Figuras 12a y 12b).

Ventajosamente, una unidad de gestión de energía 12 está conectada al módulo termoeléctrico 6.

La unidad de gestión de energía 12 comprende una lógica de control 17, un circuito eléctrico de alimentación 13 a una carga 14 y un acumulador de energía 15 conectado al circuito eléctrico de alimentación 13.

El circuito eléctrico de alimentación 13 comprende una pluralidad de interruptores 16 que conmutan entre un estado de carga y un estado de descarga.

El acumulador de energía 15 comprende una pluralidad de capacitores 15.

En el estado de carga los interruptores 16 conectan en paralelo los capacitores 15' y en el estado de descarga conectan en serie los capacitores 15'.

La unidad de gestión de energía maximiza la energía recuperada y suministra todo el presupuesto de energía adicional para alimentar la aplicación específica energizada con esta unidad.

Esto es extremadamente importante, en particular en un caso como un sistema de frenado en el que la aplicación de frenos en general no puede ser demasiado frecuente y, en cualquier caso, es intrínsecamente aleatoria. Por lo tanto, la usabilidad de un módulo termoeléctrico integrado en la pastilla puede beneficiarse mucho de la integración con un sistema electrónico.

Con referencia a las Figuras 13a, 13b, 14a, 14b, la salida del módulo 6 es gestionada por un regulador de tensión 18 para obtener siempre la misma tensión para cargar el acumulador de energía 15.

La lógica de control de energía ultrabaja 17 maneja los interruptores 16 desde el estado de carga de los supercapacitores 15' hasta el estado de descarga cuando las condiciones de carga 14 requieren grandes cantidades de corriente. La lógica de control 17 actúa, por ejemplo, sobre un diodo 18 como un interruptor inteligente que abre la rama del circuito 13 cerrada a la carga externa 14.

En la Figura 14a, correspondiente al estado de carga, todos los interruptores 16 están cerrados menos los que están en diagonal. Esto significa que todos los supercapacitores 15' están en carga alimentados por el módulo 6 y se cargarán a la misma tensión del regulador de tensión 18. Esta condición sucederá siempre que no haya carga o no se requiera corriente del módulo 6.

En la Figura 14b, correspondiente al estado de descarga, la lógica de control 17 abre todos los interruptores 16, a excepción de los de la diagonal. Como consecuencia, el primer supercapacitor 15' está seccionado del resto del circuito y todavía es alimentado por el módulo 6 para seguir cargando durante esta fase y evitar la mayoría de las pérdidas de carga. Los supercapacitores restantes 15' están en serie y pueden alimentar un circuito externo con una tensión más alta. Este último aspecto es interesante porque puede proporcionar una ventaja que permite usar un módulo 6 simplificado con una tensión de funcionamiento más baja (por lo tanto, más barato) y alcanzable incluso en condiciones de funcionamiento leves (pequeños gradientes térmicos), mientras que en estado de descarga puede dar energía a sistemas electrónicos estándar sin ningún requisito especial en cuanto a los componentes que se deben usar con ventajas en cuanto a costos y compatibilidad con los estándares automotores.

Con referencia a las Figuras 15a, 15b, 16 y 17 mostraremos el resultado de las sesiones de prueba en dos prototipos de recolección de energía diferentes: el prototipo A que se muestra en la Figura 15a y que cumple con la segunda modalidad discutida anteriormente, en donde el primer intercambiador de calor 5 se hace de grafito y el segundo intercambiador de calor 7 se hace de aluminio; y el prototipo B mostrado en la Figura 15b en el que, en comparación con el prototipo A, falta el primer intercambiador de calor.

Ambos grafito (A~ 50-400 W/mK) y aluminio (A ~ 180 W/mK) son buenos conductores térmicos que nos permiten maximizar el transporte térmico a través de la pastilla. En cuanto al prototipo A, la presencia de pinole de grafito 5 en la superficie del material de fricción no produce daños en el disco debido a la tendencia del grafito a exfoliarse.

La prueba consiste en aplicaciones de frenos a presión suave (hasta 10 bares) con el objetivo de establecer un gradiente térmico entre el lado del material de fricción y el de la placa posterior.

La temperatura del disco, asumida igual a la temperatura del material de fricción (lado caliente), se adquirió con un pirómetro y la temperatura de la placa posterior (lado frío) se adquirió con un termopar tipo K. Además, adquirimos el tensión de la pastilla para estimar la eficiencia del sistema en términos de energía final de potencia generada durante la aplicación del freno.

El prototipo A es el más eficiente de los prototipos probados en términos de generación de energía. Como se muestra en la Figura 16 para un gradiente térmico máximo de 170 °C, el módulo da una tensión máxima de 3,8 V. Cuando la temperatura del disco excede el punto de ajuste (~200 °C) el sistema se enfría y nos deja ver la dinámica de enfriamiento del módulo. Después de la desconexión de la presión, es posible estimar la pérdida de tensión durante el tiempo. En los primeros 50 segundos, la pérdida de tensión con el tiempo es dV/dt ~ 50 mV/s, después del transitorio el sistema se termalizó y dV/dt se volvió aproximadamente cero con una salida de tensión de 500 mV.

La Figura 16 en el lado derecho muestra la comparación entre tensión, potencia y energía generada durante la aplicación de los frenos. La potencia alcanza el valor máximo de 700 mW y la energía generada durante la aplicación de los frenos es cercana a los 20 J.

El módulo funciona como generador de tensión y para estimar la potencia total generada durante la aplicación del freno hemos aplicado una carga entre los dos polos del generador.

Al realizar la misma prueba con la presencia de una carga resistiva como se muestra en la Figura 17 se observa una disminución de la tensión de salida de 3,5 a 1,8 V. El menor nivel de tensión alcanzado está asociado con una pérdida de potencia interna con respecto a la condición de circuito abierto sin carga. La potencia disminuirá correspondientemente para un solo módulo, de todos modos es una potencia notable para una unidad tan pequeña (<1 cm2)

El prototipo B es menos eficiente que el prototipo A, pero la prueba también demostró un rendimiento bastante bueno. La ventaja del prototipo B es que el módulo termoeléctrico está incrustado dentro de la capa inferior que juega un papel protector.

El sistema una vez acoplado a un sistema de gestión de energía puede alimentar sistemas electrónicos durante un tiempo que estará determinado por la cantidad de energía recolectada.

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1. Una pastilla de freno (1), que comprende una placa posterior (2), una pastilla de material de fricción (4), y al menos un módulo termoeléctrico (6) que comprende elementos semiconductores de tipo P y N, dicho módulo termoeléctrico (6) que tiene una primera superficie principal (6a) y una segunda superficie principal (6b) opuesta a dicha primera superficie principal (6a), un primer intercambiador de calor (5) que se proporciona en contacto con dicha primera superficie principal (6a) de dicho módulo termoeléctrico (6), caracterizado porque dicha placa posterior (2) se proporciona con al menos un agujero pasante (3) en donde al menos dichos elementos semiconductores dopados con N y P de dicho módulo termoeléctrico (6) están integrados, y en que se proporciona un segundo intercambiador de calor (7) alojado en dicho agujero pasante (3) en contacto con dicha segunda superficie principal (6b) de dicho módulo termoeléctrico (6).

2. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) está fijado a un canal (10) de dicha pastilla de fricción (4).

3. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicho módulo termoeléctrico está totalmente integrado en dicho agujero.

4. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicho agujero pasante (3) tiene un primer extremo (3a) que abre en una superficie principal interna (2a) de dicha placa posterior (2) y un segundo extremo (3b) que abre en una superficie principal externa (2b) de dicha placa posterior (2) paralela a dicha superficie principal interna (2a).

5. Una pastilla de freno (1) de un vehículo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicho agujero pasante (3) es un agujero de espiga normalmente presente en una placa posterior de tipo conocido, dicho agujero de espiga que se procesa para integrar dicho módulo termoeléctrico (6).

6. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizada porque dicho módulo termoeléctrico (6) tiene la forma de una placa que tiene dicha primera superficie principal (6a) orientada hacia dicha superficie principal interna (2a) de dicha placa posterior (2) y dicha segunda superficie principal (6b) orientada hacia dicha superficie principal externa (2b) de dicha placa posterior (2).

7. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque dicha placa tiene dicha primera superficie principal (6a) plana y paralela a dicha superficie principal interna (2a) de dicha placa posterior (2) y dicha segunda superficie principal (6b) plana y paralela a dicha superficie principal externa (2b) de dicha placa posterior (2).

8. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 y 7, caracterizada porque dichas primera y segunda superficies principales (6a, 6b) de dicho módulo termoeléctrico (6) están ubicadas dentro de dicho agujero pasante (3).

9. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) se coloca en contacto sobre dicha primera superficie principal (6a) de dicho módulo termoeléctrico (6) y dicho segundo intercambiador de calor (7) se coloca en contacto sobre dicha segunda superficie principal (6b) de dicho módulo termoeléctrico (6).

10. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizada porque dicho segundo intercambiador de calor (7) está al ras con dicho segundo extremo (3b) de dicho agujero pasante (3).

11. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) se extiende fuera de dicho primer extremo (3a) de dicho agujero pasante (3).

12. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque dicho primer intercambiador de calor (5) está al ras con una superficie principal externa (4a) de dicha pastilla de fricción (4).

13. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) se extiende en un canal (9) de una capa inferior (8) interpuesta entre dicha pastilla de fricción (4) y dicha placa posterior (2).

14. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque al menos uno de dichos primer y segundo intercambiadores de calor (5, 7) se hace de un material que tiene una conductividad térmica superior a 50 W/mK.

15. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizada porque al menos uno de dichos primer y segundo intercambiadores de calor (5, 7) se hace de grafito.

16. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicho agujero pasante (3) comprende una primera sección de extremo cilíndrica (3') que incluye dicho primer extremo (3a) de dicho agujero pasante (3) y tiene un primer diámetro (D1), una sección intermedia cilíndrica (3") que tiene un segundo diámetro (D2) mayor que dicho primer diámetro (D1), y una segunda sección de extremo cilíndrica (3'") que incluye dicho segundo extremo (3b) de dicho agujero pasante (3) y tiene un tercer diámetro (D3) mayor que dicho segundo diámetro (D2).

17. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dichos primer y segundo intercambiadores de calor (5, 7) tienen forma cilíndrica.

18. Una pastilla de freno (1) de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) se acopla a dicha primera sección de extremo cilíndrica (3') de dicho agujero pasante (3) y dicho segundo intercambiador de calor (7) se acopla a dicha segunda sección de extremo cilíndrica (3'") de dicho agujero pasante (3).

19. Una pastilla de freno de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizada porque dicho primer intercambiador de calor (5) tiene una porción de extremo cilíndrica estrechada (5') que se acopla con dicha placa posterior (2) alrededor de dicha primera sección de extremo cilíndrica (3') de dicho agujero pasante (3).

20. Una pastilla de freno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 18 y 19, caracterizada porque dicho módulo termoeléctrico (6) está alojado en dicha sección cilíndrica intermedia (3”) de dicho agujero pasante (3).

21. Un dispositivo de frenado que comprende una pastilla de freno (1) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior y una unidad de gestión de energía (12) conectada a dicho módulo termoeléctrico (6), dicha unidad de gestión de energía (12) que comprende un control lógico (17), un circuito eléctrico de alimentación (13) a una carga (14), y un acumulador de energía (15) conectado a dicho circuito eléctrico de alimentación (13), dicho circuito eléctrico de alimentación (13) que comprende una pluralidad de interruptores (16) que conmutan entre un estado de carga y un estado de descarga, y dicho acumulador de energía (15) comprende una pluralidad de capacitores (15'), y en que en dicho estado de carga dichos interruptores (16) conectan en paralelo dichos capacitores (15') y en dicho estado de descarga dichos interruptores (16) conectan en serie dichos capacitores (15').