MXPA05012477A

MXPA05012477A - Generador termoelectrico de baja energia.

Info

Publication number: MXPA05012477A
Application number: MXPA05012477A
Authority: MX
Inventors: Peter Zhou
Original assignee: Applied Digital Solutions Inc
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2006-07-03
Also published as: CN100499192C; US20040231714A1; CN1836340A; JP4290197B2; WO2004105143A1; US6958443B2; EP1625629A1; JP2007500951A; US20050252543A1; AU2004241965A1; CA2526270A1; AU2004241965B2; EP1625629A4

Abstract

La presente invencion se refiere a un segmento de chapa de un generador termoelectrico (10) que comprende una placa superior (14) colocada en relacion espaciada arriba de una placa inferior (12). Un arreglo de los segmentos de chapa (16) es perpendicularmente colocado en arreglo lado por lado entre y en contacto termico con las placas inferior y superior. Cada segmento de chapa comprende un sustrato (18) que tiene un espesor de aproximadamente 7.5-50 micras, superficies de sustrato frontal y posterior opuestas y una serie de brazos termoeletricos n-tipo y p-tipo alternos, espaciados colocados en arreglo paralelo en la superficie frontal de sustrato. Cada uno de los brazos n-tipo y p-tipo (32, 34) se forma de un material termoelectrico a base de telururo de bismuto que tiene un espesor de aproximadamente 5-100 micras, una anchura de aproximadamente 10-100 micras y una longitud de aproximadamente 100-500 micras. Los brazos termoelectricos n-tipo y p-tipo (32, 34) alternos son electricamente conectados en serie y termicamente conectados en paralelo de modo que un diferencial de temperatura entre las placas inferior y superior resulta en la generacion de energia.

Description

GENERADOR TERMOELECTRICO DE BAJA ENERGIA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención generalmente pertenece a dispositivos termoeléctricos y, más particularmente, a un generador termoeléctrico de baja energía, autosuficiente que tiene un tamaño compacto. y una salida de voltaje relativamente alto el cual específicamente se adapta para ser compatible con dispositivos microelectrónicos . ANTECEDENTES DE LA INVENCION La tendencia incrementada hacia la miniaturización de dispositivos microelectrónicos necesita el desarrollo de suministros de energía miniaturizados. Las baterías y celdas solares son fuentes de energía tradicionales para tales dispositivos microelectrónicos. Sin embargo, la energía que se suministra por las baterías se disipa durante el tiempo requiriendo que las baterías sean periódicamente reemplazadas. Las celdas solares, aunque tienen una vida útil efectivamente ilimitada, solamente pueden proporcionar una fuente temporal de energía ya que el sol u otras fuentes de luz no siempre pueden estar disponibles. Los generadores termoeléctricos son fuentes de energía autosuficientes que convierten la energía térmica en energía eléctrica bajo principios físicos establecidos. El efecto Seebeck es un fenómeno de transporte fundamental de la generación de energía de energía térmica utilizando Ref. 168374 componentes eléctricos en estado sólido sin partes móviles . El efecto Seebeck utiliza un par de metales diferentes (n-tipo y p-tipo) , llamados termopares, los cuales se unen a un extremo. N-tipo y p-tipo respectivamente significan los tipos negativo y positivo de portadores de carga dentro del material . Si el extremo unido del termopar se calienta mientras que el extremo no unido se mantiene frío, una fuerza electromotriz (fem) o potencial de voltaje se genera a través del extremo no unido. Basado en la teoría de electrón libre de metales, las fuerzas que actúan en los electrones en la unión de los dos metales diferentes tienden a arrastrar los electrones del metal que tiene una densidad de electrones mayor hacia el metal que tiene una densidad de electrones menor. El metal que gana los electrones adquiere potencial eléctrico negativo mientras que el metal que pierde electrones adquiere potencial positivo. El gradiente de temperatura a través del termopar se puede aplicar- artificialmente o puede- ser natural, presentado como "calor de desecho" tal como el calor que se rechaza constantemente por el cuerpo humano. En un reloj de pulsera, un lado se expone al aire a temperatura ambiente mientras que el lado opuesto se expone a la temperatura mayor de la piel del usuario. Por consiguiente, un pequeño gradiente de temperatura está presente a través del espesor del reloj de pulsera. Un generador termoeléctrico se puede incorporar en el reloj de pulsera para tomar ventaja del calor de desecho y generar un suministro de energía suficiente para operar el reloj de pulsera como una unidad independiente. Ventajosamente, muchos dispositivos microelectrónicos que son similares en tamaño a un reloj de pulsera típico requieren solamente una pequeña cantidad de energía y por lo tanto son compatibles para ser suministrados de energía por generadores termoeléctricos . Los parámetros de operación de un generador termoeléctrico se pueden caracterizar matemáticamente en diversas formas. Por ejemplo, el voltaje medido a través de extremos no unidos de un termopar es directamente proporcional a la diferencia de temperatura a través de los dos extremos. Cuando brazos termoeléctricos n-tipo y brazos termoeléctricos p-tipo que integran un termopar son eléctricamente conectados ~: en - serie pero térmicamente conectados en paralelo con un diferencial de temperatura TI y T2 mantenido a través de estos, el voltaje de circuito abierto V bajo el efecto Seebeck se puede expresar matemáticamente por la siguiente fórmula: - --V=S(Ta-Ta) donde S es el coeficiente de Seebeck expresado en microvoltios por grado (uV/K) . La eficiencia de los generadores termoeléctricos se puede caracterizar por" un factor de calidad termoeléctrico (Z) , tradicionalmente definido por la siguiente fórmula: Z=S2 s/? donde s y son la conductividad eléctrica y conductividad térmica, respectivamente. El factor de calidad Z, expresado en reciproco, representa las propiedades térmicas y eléctricas de un material termoeléctrico que se puede utilizar en un generador termoeléctrico. Una de las claves para mejorar la eficiencia de generadores termoeléctricos yace en el desarrollo de películas termoeléctricas altamente efectivas que tienen baja resistencia eléctrica, alto coeficiente de Seebeck y baja conductividad térmica. Otra clave en el mejoramiento de generadores termoeléctricos yace en el incremento de la densidad de integración de los termopares . Frecuentemente con fuentes de calor de desecho, solamente existe una pequeña diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el colector de calor. Debido a esta pequeña diferencia de temperatura, un número grande de termopares se deben conectar en serie para generar un suficiente voltaje termoeléctrico. En consecuencia, los termopares deben tener relaciones de aspecto extremas de longitud a anchura de la sección transversal. La técnica previa incluye un número de dispositivos que intentan mejorar las características de operación y eficiencia de generadores termoeléctricos. Un dispositivo de la técnica previa incluye un sustrato conductor de calor colocado en contacto térmico con una región de alta temperatura opuesta a una región de baja temperatura. El calor fluye de la región de alta temperatura dentro del sustrato conductor de calor y dentro de un número de brazos termoeléctrico n-tipo y p-tipo alternos cortados de material de cristal. Los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se conectan eléctricamente en serie y se conectan térmicamente en paralelo. Los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se forman en el sustrato en una configuración de tablero de dos dimensiones. Debido a que el voltaje total es la suma de los voltajes individuales a través de cada par de n-tipo y p-tipo, y debido a que cada termopar de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo puede producir solamente unos cuantos milivoltios para un diferencial de temperatura dado, un área muy grande se requiere para comprender la configuración de tablero de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos. Tal requerimiento de área grande previene la miniaturización del generador termoeléctrico. Otro dispositivo de la técnica previa proporciona un módulo termoeléctrico que tiene un compartimiento aislante sin abertura para proporcionar espacios aislados para un número de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo. La ausencia de aberturas elimina la posibilidad de cortocircuitos interpared entre los brazos termoeléctricos . Los brazos termoeléctricos son eléctricamente conectados en serie y conectados térmicamente en paralelo entre lados caliente y frío del módulo. Las conexiones eléctricas están comprendidas de una capa de aluminio sobre una capa de molibdeno. Las superficies son puestas a tierra para exponer las paredes de compartimiento excepto en las áreas donde los brazos termoeléctricos se interconectan. Aunque el módulo de la referencia supera los problemas de cortocircuitos entre brazos termoeléctricos adyacentes, el dispositivo de la referencia requiere numerosas etapas de manufactura y por lo tanto es costoso. Otros dispositivos de la técnica previa que intentan miniaturizar los generadores termoeléctricos han incrementado la densidad de integración de termopares miniaturizando las estructuras monolíticas individuales de los termopares. Aunque tales dispositivos tuvieron éxito en la reducción de la sección transversal de estos termopares de telururo de bismuto de material voluminoso a un tamaño suficientemente pequeño, la dificultad extrema en el manejo y f bricación de estos termopares de tipo telururo de bismuto de material voluminoso se traduce en costos de producción extremadamente altos conduciendo a un costo muy alto del producto final . En vista de las deficiencias descritas anteriormente de los generadores termoeléctricos convencionales, existe una necesidad- en la .técnica de un generador termoeléctrico que es compatible con los requerimientos de dispositivos microelectrónicos. Más específicamente, existe una necesidad de un generador termoeléctrico para producir baja energía que es de tamaño compacto, y que es específicamente adaptado para producir un voltaje de salida alto mientras que es fabricable en serie a un costo relativamente bajo. BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención específicamente se dirige y aligera las deficiencias referenciadas anteriormente asociadas con generadores termoeléctricos . Más particularmente, la presente invención es un segmento de chapa mejorado para un generador termoeléctrico de baja energía, autosuficiente que tiene un tamaño compacto y que es específicamente adaptado para ser compatible con dispositivos microelectrónicos . El generador termoeléctrico toma ventaja de un gradiente térmico para generar energía útil de acuerdo con el efecto Seebeck. El generador termoeléctrico está comprendido de una placa inferior, una placa superior, y un arreglo de segmentos de chapa. El arreglo de segmentos de chapa se interpone entre la placa inferior y la placa superior en arreglo lado por lado. Cada uno de los segmentos de chapa es perpendicularmente colocado entre y en contacto térmico con las placas inferior y superior. Una serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos se coloca en un sustrato de cada uno de los segmentos de chapa. Los brazos termoeléctricos generalmente se fabrican de un material termoeléctrico tipo telururo de bismuto. La placa superior se coloca en relación espaciada arriba de la placa inferior. Las placas inferior y superior pueden tener una configuración generalmente ortogonal y se pueden fabricar de cualquier material rígido tal como material cerámico. La placa inferior y la placa superior se configuran para proporcionar contacto térmico entre un colector de calor y una fuente de calor de modo que un gradiente de temperatura se puede desarrollar a través de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos. Cada uno de los segmentos de chapa tiene una superficie frontal de sustrato y una superficie posterior de sustrato opuesta a la superficie frontal de sustrato. Los segmentos de chapa se arreglan de modo que la superficie posterior de sustrato de un segmento de chapa enfrenta la superficie frontal de., sustrato de un segmento de chapa adyacente. Los- brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alterno, espaciados se coloca en arreglo paralelo entre si en la superficie frontal de sustrato. Cada uno de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se forman del material termoeléctrico que . generalmente tiene un espesor en el intervalo- de aproximadamente 5 mieras (µt?) a aproximadamente 100 µ??, con un espesor preferible de aproximadamente 7 µtt?. La superficie frontal de sustrato puede tener una rugosidad de superficie que es más suave que aquella de la superficie posterior de sustrato para mejorar la repetitibilidad de formación de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo en la superficie frontal de sustrato. Un par de brazos termoeléctricos p-tipo y n-tipo integran un termopar del generador termoeléctrico. La anchura de los brazos termoeléctricos puede estar en el intervalo de aproximadamente 10 µp? a aproximadamente 100 µt?, la longitud de los mismos está en el intervalo de aproximadamente 100 µ?? a aproximadamente 500 µp?. Una longitud preferida de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo es aproximadamente 500µp?. Una anchura preferida del brazo termoeléctrico n-tipo es aproximadamente 60 ]im mientras que una anchura preferida del brazo termoeléctrico p-tipo es aproximadamente 40 µt?. La geometría de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo respectivos se puede ajusfar a un cierto grado dependiendo de las diferencias de conductividades eléctricas de cada brazo termoeléctrico n-tipo y p-tipo. Cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo es eléctricamente conectado a brazos termoeléctricos n-tipo adyacentes en extremos opuestos de los brazos termoeléctricos p-tipo por un puente de metal de lado caliente y un puente de metal de lado frío de modo que la corriente eléctrica puede fluir a través de los brazos termoeléctricos desde una parte inferior a una parte superior de un brazo termoeléctrico p-tipo y de una parte superior a una parte inferior de un brazo termoeléctrico n-tipo. La pluralidad de segmentos de chapa preferiblemente puede incluir un total de aproximadamente 5000 termopares acoplados conjuntamente y sustancialmente distribuidos igualmente en el arreglo de segmentos de chapa y que forman una cadena de termopar. Cada uno de los termopares incluye un brazo termoeléctrico n-tipo y un p-tipo. Por consiguiente, un generador termoeléctrico que tiene 5000 termopares incluirá 5000 brazos termoeléctricos n-tipo y 5000 brazos termoeléctricos p-tipo. El generador termoeléctrico preferiblemente puede incluir aproximadamente 120 segmentos de chapa con cada uno de los segmentos de chapa respectivos incluyendo aproximadamente 40 termopares aunque cualquier número de segmentos de chapa se puede incluir. Una almohadilla de contacto se puede colocar en cada uno de los extremos finales de la cadena de termopar. Cada uno de los puentes de metal de lado caliente y puentes de metal de lado frío se configura para conectar eléctricamente un brazo termoeléctrico n-tipo a un brazo termoeléctrico p-tipo. Cada uno de los puentes de metal de lado caliente y lado frío también se configura para actuar como una barrera de difusión para impedir la difusión de elementos no deseados en los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo los cuales se pueden contaminar fácilmente con material extraño. Adicionalmente, cada uno de los puentes de metal de lado caliente y lado frío se configura para impedir la difusión de elementos no deseados fuera de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo. Finalmente, cada uno de los puentes de metal de lado caliente y lado frío se configura para conducir calor dentro y fuera de los brazos termoeléctricos p-tipo y n-tipo. A este respecto, los puentes de metal de lado caliente y lado frío se pueden fabricar de un material altamente térmicamente conductor tal como níquel chapado de oro . El sustrato puede tener un espesor en el intervalo de aproximadamente 7.5 µt? a aproximadamente 50 µp?, aunque el espesor del sustrato preferiblemente es aproximadamente 25µp?. Debido al deseo de reducir el flujo de calor térmico a través del sustrato para incrementar la eficiencia de conversión de energía, es deseable disminuir el espesor del sustrato en el cual los brazos termoeléctricos se colocan. Un material eléctricamente aislante con una conductividad térmica baja tal como película de poliimida se puede utilizar para el sustrato. La película termoeléctrica que integra los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo puede estar comprendida de un compuesto semiconductor del tipo telururo de bismuto (Bi2Te3) . Sin embargo, las composiciones específicas del compuesto semiconductor se pueden alterar para mejorar el funcionamiento termoeléctrico de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo. Específicamente, la composición de los brazos termoeléctricos n-tipo puede incluir selenio (Se) . La composición de los brazos termoeléctricos p-tipo puede incluir antimonio (Sb) . Además, el exceso de telurio (Te) en uno de los brazos termoeléctricos p-tipo y n-tipo respectivos se puede alterar para mejorar la fabricación de este. Se puede utilizar pulverización magnetrónica para la deposición de una película termoeléctrica a base de telururo de bismuto relativamente gruesa sobre el sustrato más delgado a una velocidad de deposición por pulverización óptima de aproximadamente 2.7 nanómetros por segundo. BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Estas así como otras características de la presente invención llegarán a ser más evidentes en la referencia a las figuras en donde: - '-· . ;- - La figura 1 es una vista en perspectiva de un generador termoeléctrico que ilustra el arreglo de una pluralidad de segmentos de chapa de la presente invención; La figura 2 es una vista lateral en sección transversal del generador termoeléctrico tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1 que ilustra el arreglo de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos colocados en una película de sustrato de cada uno de los segmentos de chapa; y La figura 3 es una ilustración esquemática de para de brazos termoeléctricos p-tipo y n-tipo que integra un termopar del generador termoeléctrico. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Con referencia ahora a las figuras en donde las exhibiciones son para propósitos de ilustración de las modalidades preferidas de la presente invención y no para propósitos de limitación de la misma, la figura 1 es una vista en perspectiva del generador termoeléctrico 10 dentro del cual un segmento de chapa 16 de la presente invención se puede utilizar. Como se mencionó anteriormente, el generador termoeléctrico 10 toma ventaja de un gradiente térmico para generar energía útil de acuerdo con el efecto Seebeck. El generador termoeléctrico 10 típicamente está comprendido de una placa inferior 12/ una placa superior 14, y un arreglo de segmentos de chapa 16. El arreglo de segmentos de chapa 16 se interpone entre la placa inferior 12 y la placa superior 14 en arreglo lado por lado, con cada uno de los segmentos de chapa 16 siendo perpendicularmente colocados entre y en contacto térmico con las placas inferior y superior 12, 14. Una serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos, generalmente alargados 32, 34 se coloca en un sustrato 18 de cada uno de los segmentos de chapa 16. Como se discutirá con más detalle posteriormente, los brazos termoeléctricos 32, 34 generalmente se fabrican de " un" material termoeléctrico tipo telururo de bismuto 44. Como se puede ver en la figura 1, la placa superior 14 se coloca en relación espaciada arriba de la placa inferior 12. Las placas inferior y superior 12, 14 pueden tener una configuración generalmente ortogonal de forma rectangular. Sin embargo, se reconocerá que las placas inferior y superior 12, 14, las cuales generalmente definen el tamaño completo del generador termoeléctrico 10, pueden ser de cualquier forma o configuración. A este respecto, aunque la forma generalmente rectangular de las placas inferior y superior 12, 14 como se ve en la figura 1, puede ser fácilmente adaptable integrando el arreglo de uno de los segmentos de chapa 16 generalmente del mismo tamaño, la placa inferior 12 y la placa superior 14 opcionalmente pueden tener una forma circular que se puede adaptar para el uso en un dispositivo microelectrónico portátil, tal como un reloj de pulsera o un dispositivo generalmente de forma igualada a un reloj de pulsera. La placa-- inferior 12 y la placa superior 14 se pueden fabricar de cualquier material que es tanto sustancialmente rígido como altamente térmicamente conductor. A este respecto, se contempla que se puede utilizar material cerámico para fabricar las placas inferior y superior 12, 14. La placa inferior 12 y la placa superior 14 se pueden configurar para proporcionar sustancialmente contacto térmico entre un colector de calor 22 y una fuente de calor 20, respectivamente, como se puede ver en la figura 1. Las placas inferior y superior 12, 14 también se pueden configurar para proporcionar un alojamiento protector para el dispositivo termoeléctrico 10 de modo que los segmentos de chapa 16 se protegen del contacto mecánico e influencias químicas que pueden dañar los segmentos de chapa 16. Mostrada en la figura 2 está una vista lateral en sección transversal del generador termoeléctrico 10 tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1 que ilustra el arreglo de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos 32, 34 colocados en una película de sustrato 18 de cada uno de los segmentos de chapa 16. Cada uno de los segmentos de chapa 16 tiene una superficie . frontal de sustrato 40 y una superficie posterior de sustrato 42 (no mostrada)" opuesta a la superficie frontal de sustrato 40. Los segmentos de chapa 16 se pueden arreglar de modo que la superficie posterior de sustrato 42 de un segmento de chapa 16 enfrenta la superficie frontal de sustrato 40 de un segmento de chapa adyacente 16. Los brazos termoeléctricos n-tipo -y p-tipo alternos, espaciados 32, 34 se colocan paralelos entre si en la superficie frontal de sustrato 40. Cada uno de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 se forma del material termoeléctrico 44. Aunque el material termoeléctrico 44 puede tener un espesor en el intervalo de aproximadamente 5 mieras (µp?) a aproximadamente 100 µ??, un espesor preferible del material termoeléctrico 44 es aproximadamente 7 um. Volviendo brevemente ahora a la figura 3, se muestra una representación esquemática del par de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 que integra un termopar 46 del generador termoeléctrico 10. Como se puede ver en la figura 3, los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 tienen una anchura respectiva. La anchura de brazo termoeléctrico n-tipo se denota como ai. La anchura de brazo termoeléctrico p-tipo 34 se denota como a2. La longitud de los brazos termoeléctricos 32, 34 tanto para el brazo termoeléctrico n-tipo 32 como el brazo termoeléctrico p-tipo 34 se denota como b. Aunque los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 pueden tener longitudes sustancialmente iguales, se contempla que el generador termoeléctrico 10 se pueda configurar en donde los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 son de longitudes diferentes. Ventajosamente, la relación de aspecto extremo de la longitud a la anchura permite la generación de voltajes termoeléctricos relativamente altos en el generador termoeléctrico 10 miniaturizado . La geometría de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 respectivos se puede ajustar a un cierto grado dependiendo de las diferencias en conductividades eléctricas de cada uno de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34. La anchura de los brazos termoeléctricos 32, 34 puede estar en el intervalo de aproximadamente 10 µp? a aproximadamente 100 µt?. Las longitudes de los brazos termoeléctricos 32, 34 pueden estar en el intervalo de aproximadamente 100 pm a aproximadamente 500 µ??. Una longitud preferida b de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 es aproximadamente 500 µt?. Una anchura preferida i del brazo termoeléctrico n-tipo 32 es aproximadamente 60 µt? mientras que una anchura preferida a2 del brazo termoeléctrico p-tipo 34 es aproximadamente 40 µp?. Las propiedades termoeléctricas del brazo termoeléctrico p-tipo 34 son típicamente superiores a aquellas del brazo termoeléctrico n-tipo 32. Por lo tanto, la anchura de los brazos termoeléctricos p-tipo 34 puede ser más estrecha que aquella de los brazos termoeléctricos n-tipo 32. Aunque los brazos termoeléctricos 32, 34 se muestran en la figura 2 teniendo una configuración alargada, se contempla que los brazos termoeléctricos 32, 34 se pueden configurar en numerosas otras configura iones tales como, por ejemplo, una configuración en forma de L o en forma de S . Los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 se conectan térmicamente en paralelo y eléctricamente en serie. Como se ilustra en la figura 1 y esquemáticamente en la figura 2, cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo 34 se conecta eléctricamente a uno de los brazos termoeléctricos n-tipo 32 adyacente en extremos opuestos de los brazos termoeléctricos p-tipo 34 por un puente de metal de lado caliente 26 y un puente de metal de lado frío 28. De esta manera, la corriente eléctrica puede fluir a través de los brazos termoeléctricos 32, 34 de una parte inferior a una parte superior de un brazo termoeléctrico p-tipo 34 y de una parte superior a una parte inferior de un brazo termoeléctrico n-tipo 32. Cada uno de los brazos termoeléctrico 32, 34 alternos se conecta a uno de los brazos termoeléctricos 32, 34 adyacentes de tipo de conductividad opuesta, formando un termopar 46. En la figura 3, el brazo termoeléctrico n-tipo 32 representativo se conecta a un extremo superior respectivo del mismo a un extremo, superior respectivo del brazo termoeléctrico p-tipo 34. En la figura 2, una pluralidad de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 se conecta a extremos opuestos de los mismos formando una pluralidad de termopares 46 dejando un brazo termoeléctrico p-tipo 34 libre y un extremo de brazo termoeléctrico n-tipo 32 libre en el extremo opuesto final respectivo de la serie. Cada vez que se aplica calor por la fuente de calor 20 a través de la placa superior 14 en el puente de metal de lado caliente 26, un gradiente de temperatura, indicado por el símbolo T, se crea con respecto al puente de metal de lado' frío 28 del termopar 46 en la placa inferior 12 y colector de calor 22 de modo que un flujo de calor 48 fluye a través del generador termoeléctrico 10. La corriente luego fluye a través de una carga en el circuito eléctrico 36 en la dirección indicada por el símbolo ?. El generador termoeléctrico 10 adicionalmente puede comprender un primer conductor eléctrico 24 y un segundo conductor eléctrico 30 respectivamente conectados a extremos opuestos de la serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 en las almohadillas de contacto 38. Cada uno de los puentes de metal de lado caliente 26 y puentes de metal de lado frío 28 se configura para conectar eléctricamente un brazo termoeléctrico n-tipo 32 a un brazo termoeléctrico p-tipo 34. Cada uno de los puentes de metal de lado caliente 26 y puentes de metal de lado frío 28 también se configura para actuar como barrera de difusión para impedir la difusión de elementos no deseados dentro de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 los cuales pueden ser fácilmente contaminados con material extraño. Además, cada uno de los puentes de metal de lado caliente 26 y puentes de metal de lado frío 28 se configura para impedir la difusión de elementos no deseados fuera de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34. Finalmente, cada uno de los puentes de metal de lado caliente 26 y puentes de metal de lado frió 28 se configura para conducir calor dentro y fuera de los brazos termoeléctricos p-tipo y n-tipo 32, 34. A este respecto, los puentes de metal de lado caliente 26 y puentes de metal de lado frío 28 se pueden fabricar de un material altamente térmicamente conductor tal como níquel chapado de oro. En la ilustración mostrada en la figura 2, el primer conductor eléctrico 24 se conecta a un extremo libre del brazo termoeléctrico n-tipo 32 mientras que el segundo conductor eléctrico 30 se conecta a un extremo libre del brazo termoeléctrico p-tipo 34. Sin embargo, para el generador termoeléctrico 10 que tiene un arreglo de segmentos de chapa 16 colocados en arreglo lado por lado como se muestra en la figura 1, los segmentos de chapa 16 se conectan eléctricamente en serie de modo que uno de los brazos termoeléctricos n-tipo 32 libre en un extremo final del segmento de chapa 16 se conecta eléctricamente a uno de los brazos termoeléctricos p-tipo 34 libre de uno de los segmentos de chapa 16 adyacente, y viceversa. En tal configuración, el primer conductor eléctrico 24 se conecta a un extremo libre del brazo termoeléctrico n-tipo 32 de un segmento de chapa más adelantado 16 del arreglo mientras que el segundo conductor eléctrico 30 se conecta a un extremo libre del brazo termoeléctrico p-tipo 34 del segmento de chapa más posterior 16 del arreglo.

Se contempla que la pluralidad de segmentos de chapa 16 puede incluir preferiblemente un total de aproximadamente 5000 termopares 46 sustancialmente distribuidos igualmente en el arreglo de segmentos de chapa 16 aunque se contempla que el generador termoeléctrico 10 puede comprender cualquier número de termopares 46 de aproximadamente 1000 a aproximadamente 20000. El generador termoeléctrico 10 preferiblemente puede incluir aproximadamente 120 segmentos de chapa 16 con cada uno de los segmentos de chapa 16 respectivos incluyendo aproximadamente cuarenta termopares 46. Alternativamente, sin embargo, el generador termoeléctrico 10 puede incluir cualquier número de segmentos de chapa 16 suficientes para integrar el número total de termopares 46 necesario para producir la energía requerida a las temperaturas de operación dadas. Asumiendo que todos los termopares 46 son conectados eléctricamente en serie, la salida de voltaje total del generador termoeléctrico 10 simplemente se calcula como la suma de los voltajes individuales generados a través de cada termopar 46. Con referencia a la figura 2, se muestra el sustrato 18 de los segmentos de chapa 16 típicos de la presente invención. El sustrato 18 tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 7.5 m a aproximadamente 50 µt?, aunque el espesor del sustrato 18 preferiblemente es aproximadamente 25 µ?a. Debido al deseo de reducir el flujo de calor térmico 48 a través del sustrato 18 para incrementar la eficiencia de conversión de energía, es deseable disminuir el espesor del sustrato 18 en el cual los brazos termoeléctricos 32, 34 se colocan. Con respecto al material que puede comprender el sustrato 18, un material eléctricamente aislante se puede utilizar de modo que uno de los brazos termoeléctricos 32, 34 adyacente colocado en el sustrato 18 se puede aislar eléctricamente entre si. El material de sustrato 18 también puede tener una conductividad térmica baja y puede ser una película de poliimida tal como película Kapton hecha por DuPont . Debido a su baja conductividad térmica, la película de poliimida es un sustrato 18 excelente para generadores termoeléctricos 10. Además, la película de poliimida tiene un coeficiente de expansión térmica que está dentro del mismo orden de magnitud como aquel del material de tipo telururo de bismuto utilizado en los brazos termoeléctricos 32, 34 en el intervalo de temperatura ambiente de aproximadamente 70°F (20.9°C). Por lo tanto, utilizando la película de poliimida, la tensión mecánica residual que puede ocurrir en la interfase del sustratol8/material termoeléctrico 44 se puede minimizar o eliminar. A este respecto, la durabilidad completa y vida útil del generador termoeléctrico 10 se pueden mejorar.

El material termoeléctrico 44 que integra los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 puede estar comprendido de un compuesto semiconductor del tipo telururo de bismuto (Bi2 e3) , como se mencionó anteriormente. Sin embargo, las composiciones específicas del compuesto semiconductor se pueden alterar para mejorar el funcionamiento termoeléctrico del brazo termoeléctrico n-tipo y p-tipo 32, 34. A este respecto, el compuesto semiconductor utilizado en la fabricación de los brazos termoeléctricos p-tipo 32 puede comprender un material que tiene la fórmula: (Bi0.isSb0.as ) 2Te3 más 18 a exceso de % Te aunque el exceso puede estar en el intervalo de aproximadamente 10 a exceso de % Te a aproximadamente 30 a exceso de % Te. Como una modalidad separada del compuesto semiconductor, el generador termoeléctrico 10 puede incluir la pluralidad de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo 32, 34 en donde cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo 34 se forma del compuesto semiconductor que tiene la fórmula (Bio.15Sbo.s5) ? e3 más aproximadamente 10 a exceso de % Te a aproximadamente 30 a exceso de % Te . Aunque un número de técnicas de microfabricación se puede utilizar en la deposición del material termoeléctrico 44 sobre el sustrato 18, el método de pulverización, tal como pulverización magnetrónica , se puede utilizar con la ayuda de equipo de deposición a alto vacío. La pulverización se puede utilizar para la deposición de material termoeléctrico 44 a base de telururo de bismuto relativamente grueso sobre los sustratos delgados 18. Ventajosamente, la velocidad de deposición del material termoeléctrico 44 sobre el sustrato 18 se ha incrementado, resultando en un costo total menor del generador termoeléctrico 10. En la formación del material termoeléctrico 44, la velocidad de deposición por pulverización óptima puede ser aproximadamente 2.7 nanometros por segundo. Sin embargo, debido a que la velocidad de deposición por pulverización es dependiente de la composición específica a ser depositada así como las propiedades del material termoeléctrico 44 propuesto, la velocidad de deposición por pulverización puede estar en el intervalo de aproximadamente 2 nanometros por segundo a aproximadamente 10 nanometros por segundo. Las modificaciones y mejoramientos adicionales de la presente invención también pueden ser evidentes para aquellos de experiencia ordinaria en la técnica. Por consiguiente, la combinación particular de las partes descritas e ilustradas en la presente se propone para representar solamente ciertas modalidades de la presente invención, y no se propone para servir como limitaciones de dispositivos alternativos dentro del espíritu y alcance de la invención. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Segmento de chapa de un generador termoeléctrico, caracterizado porque comprende: un sustrato que tiene superficies de sustrato frontal y posterior opuestas; y una serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos colocados en arreglo paralelo espaciado en la superficie frontal de sustrato, cada uno de los brazos n-tipo y p-tipo se forma de un material termoeléctrico tipo Bi2Te3 que tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 5 mieras a aproximadamente 100 mieras, cada brazo termoeléctrico n-tipo y p-tipo tiene una anchura y una longitud, la anchura está en el intervalo de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 100 mieras, la longitud está en el intervalo de aproximadamente 100 mieras a aproximadamente 500 mieras; en donde cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo es eléctricamente conectado a uno de los brazos termoeléctricos n-tipo adyacente en extremos opuestos de los brazos termoeléctricos p-tipo de modo que la serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se conecta eléctricamente en serie y térmicamente se conecta en paralelo.

2. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 7.5 mieras a aproximadamente 50 mieras.

3. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene un espesor de aproximadamente 25 mieras.

4. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor del material termoeléctrico tipo Bi2Te3 es aproximadamente 7 mieras .

5. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material termoeléctrico tipo Bi2Te3 para los brazos termoeléctricos p-tipo es un compuesto semiconductor que tiene la siguiente fórmula: (Bi0.lsSb0.85) 2Te3 más aproximadamente 10 a exceso de % Te a aproximadamente 30 a exceso de % Te.

6. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el compuesto semiconductor tiene aproximadamente 18 a exceso de % Te.

7. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 5 , caracterizado porque cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo tiene una anchura de aproximadamente 40 mieras.

8. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los brazos termoeléctricos n-tipo tiene una anchura de aproximadamente 60 mieras.

9. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la longitud de los brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo es aproximadamente 500 mieras .

10. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el compuesto semiconductor se deposita en el sustrato por pulverización .

11. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la velocidad de deposición por pulverización está en el intervalo de aproximadamente 2 nanometros por segundo a aproximadamente 10 nanometros por segundo.

12. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la velocidad de deposición por pulverización es aproximadamente 2.7 nanometros por segundo. - "

13. Arreglo de segmentos de chapa para un generador termoeléctrico, cada uno de los segmentos de chapa es configurado de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo y uno de los brazos termoeléctricos n-tipo adyacente define colectivamente un termopar; y el arreglo de segmentos de chapa incluye un total de aproximadamente 1000 a aproximadamente 20000 termopares aproximadamente distribuidos igualmente en el arreglo de segmentos de chapa. 1 . Segmento de chapa para un generador termoeléctrico, caracterizado porque incluye una pluralidad de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo, cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo se forma de un compuesto semiconductor que tiene la siguiente fórmula: (Bio.isSbo.ss) 2Te3 más aproximadamente 10 a exceso de % Te a aproximadamente 30 a exceso.de %.Te. 15. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el compuesto semiconductor tiene aproximadamente 18 a exceso de % Te. 16. Segmento de chapa para un generador termoeléctrico, caracterizado porque comprende: un sustrato que tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 7.5 mieras a aproximadamente 50 mieras e incluye superficies de sustrato frontal y posterior opuestas, el sustrato se forma de un material eléctricamente aislante que tiene una baja conductividad térmica; y una serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos, espaciados colocados en arreglo paralelo en cada una de las superficies frontales de sustrato, cada uno de los brazos n-tipo y p-tipo se forma de un material termoeléctrico tipo Bi2Te3 y tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 5 mieras a aproximadamente 100 mieras, cada brazo termoeléctrico n-tipo y p-tipo tiene una anchura y una longitud, la anchura está en el intervalo de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 100 mieras y la .longitud está en el intervalo de aproximadamente 100 mieras a aproximadamente. 500 mieras; en donde cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo es eléctricamente conectado a los brazos termoeléctricos n-tipo adyacentes en extremos opuestos de los brazos termoeléctricos p-tipo de modo que la serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se conecta eléctricamente en serie y se conecta térmicamente en paralelo. 17. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación.! 2.6, caracterizado porque cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo se forma de un compuesto semiconductor que tiene la siguiente fórmula: (Bio.15Sbo.8s) 2Te3 más aproximadamente 18 a exceso de % Te. 18. Método de producción de un segmento de chapa para un generador termoeléctrico, el segmento de chapa incluye un sustrato y una serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo, el sustrato tiene superficies de sustrato frontal y posterior opuestas, la serie de brazos alargados termoeléctricos n-tipo y p-tipo alternos, se coloca en arreglo paralelo espaciado en la superficie frontal de sustrato, cada uno de los brazos n-tipo y p-tipo se forma de un material termoeléctrico que tiene un espesor en el intervalo de aproximadamente 5 mieras a aproximadamente 100 mieras, cada brazo termoeléctrico n-tipo y p-tipo tiene una anchura y una longitud, la anchura está en el intervalo de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 100 mieras, la longitud está en el intervalo de aproximadamente 100 mieras a aproximadamente 500 mieras, cada uno de los brazos termoeléctricos p-tipo se conecta eléctricamente a uno de los brazos termoeléctricos n-tipo adyacente en extremos opuestos de los brazos termoeléctricos p-tipo de modo que la serie de brazos termoeléctricos n-tipo y p-tipo se conecta eléctricamente en serie y se conecta térmicamente en paralelo, el método esta caracterizado porque comprende la etapa de: depositar el material termoeléctrico sobre el sustrato por pulverización. 19. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la velocidad de deposición por pulverización está en el intervalo de aproximadamente 2 nanometros por segundo a aproximadamente 10 nanometros por segundo. 20. Segmento de chapa de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la velocidad de deposición por pulverización es aproximadamente 2.7 nanometros por segundo.