Aparato termoeléctrico y aplicaciones de este aparato.

Un aparato termoeléctrico (200) comprendiendo:

al menos una capa del tipo p

(1, 201) aplicada al menos a una capa del tipo n (2, 202) para proporcionar una unión pn (4), y

una capa aislante (3, 207) dispuesta parcialmente entre la capa del tipo p y la capa del tipo n, caracterizado por que la capa del tipo p comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono dispuestas en una matriz de polímero y la capa del tipo n comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n dispuestas en una matriz de polímero.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2011/056740.

Solicitante: WAKE FOREST UNIVERSITY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 391 TECHNOLOGY WAY, SUITE 199 WINSTON-SALEM, NC 27101 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: CARROLL,David,L.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión... > H01L35/32 (caracterizados por la estructura o la configuración de la célula o del termopar que constituye el dispositivo)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes... > H01L27/16 (con componentes termoeléctricos con o sin unión de materiales diferentes; con componentes termomagnéticos (que utilizan el efecto Peltier únicamente para la refrigeración de dispositivos de semiconductores o de otros dispositivos de estado sólido H01L 23/38))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión... > H01L35/22 (con compuestos que contienen boro, carbono, oxígeno o nitrógeno)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > NANOTECNOLOGIA > USOS O APLICACIONES ESPECIFICOS DE NANOESTRUCTURAS;... > B82Y30/00 (Nano tecnología para materiales o ciencia superficial, p.ej. nano compuestos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión... > H01L35/26 (utilizando composiciones cambiantes de manera continua o discontinua en el interior del material)

PDF original: ES-2547089_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Aparato termoeléctrico y aplicaciones de este aparato Datos de la solicitud relacionada Esta solicitud reivindica la prioridad bajo la 35 U.S.C. § 119 (e) de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos con Número de Serie 61/394.293, presentada el 18 de octubre del año 2010.

Campo de la invención La invención presente se refiere a materiales termoeléctricos y, en particular, a aparatos que incorporan materiales termoeléctricos.

Antecedentes de la invención La energía calorífica es ampliamente usada en la generación de electricidad. Sin embargo, la eficiencia de la conversión de la energía calorífica en energía eléctrica por los métodos corrientes es baja, variando desde aproximadamente el 30 al 40 por ciento. En consecuencia, una cantidad significativa de energía calorífica escapa al medio ambiente en forma de pérdidas. Se estima que se pierden aproximadamente 15 teravatios de energía en el medio ambiente en la producción global anual de electricidad, Los materiales termoeléctricos son operables para capturar calor para la producción de electricidad adicional. La eficiencia termoeléctrica es cuantificada por el Factor de Mérito, ZT.

Los materiales termoeléctricos que demuestran tener los valores más altos del ZT tienen eficiencias termoeléctricas mayores. Fabricar materiales termoeléctricos con valores del ZT razonables es con frecuencia difícil y/o caro. Los calcogénidos de bismuto, por ejemplo, proporcionan excelentes propiedades termoeléctricas con valores del ZT que varían desde 0, 7 a 1, 0. Estos materiales pueden estar nanoestructurados para producir una estructura de superretícula de capas de Bi2Te3 y de Bi2Se3 alternadas que dan como resultado un material que tiene una conductividad eléctrica aceptable y una escasa conductividad térmica. La fabricación de estos materiales, sin embargo, puede requerir mucho tiempo y ser cara.

Además, como consecuencia de los requisitos de fabricación y de otras tolerancias del material, muchos materiales termoeléctricos no se prestan a una incorporación fácil a una amplia variedad de dispositivos para captar calor y generar electricidad.

El documento de la patente japonesa JP4199755A describe un método para fabricar un dispositivo termoeléctrico colocando un primer electrodo en un molde, en donde el primer electrodo tiene una superficie superior; que forma una primera entrecapa en el primer electrodo; que define al menos dos partes, y se llena con unos primeros materiales termoeléctricos la primera entrecapa de al menos algunas partes de las dos partes y se llena con un segundo material termoeléctrico la primera entrecapa de otras partes, y se sinterizan en el molde; y se caracteriza por que el molde tiene un espacio interior, y en el paso (c - 1) , se dispone verticalmente una placa de separación (3) en una superficie superior de la primera entrecapa para dividir el espacio interior del molde en las dos partes al menos; y (e - 1) se retira la placa de separación (3) después de la sinterización para obtener un dispositivo termoeléctrico con forma de .

El documento de la patente WO2005/098981 A1 describe un método para generar energía termoeléctrica que comprende imponer un diferencial de temperatura a través de un elemento conductor de electricidad a un circuito eléctrico, en el que dicho elemento es un material compuesto que comprende nanotubos de carbono dispersados en una matriz de material cerámico, causando de esta manera que la corriente eléctrica originada por dicho diferencial de temperatura fluya a través de una carga de dicho circuito.

El documento de la patente de los EE.UU. US2010/116308 A1 describe un elemento de conversión termoeléctrico que comprende:

Un material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo p y un material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo n; en donde el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo p está pegado directamente al material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo n en una zona de una superficie de unión entre el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo p y el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo n;

el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo p está pegado al material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo n mediante un material aislante dispuesto entre otra zona de la superficie de unión; y el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo p, el material de conversión termoeléctrico de óxido del tipo n y el material aislante están cosinterizados.

El artículo "Improved Thermoelectric Behavior of Nanotube-Filled Polymer Composities with Poly (3, 4-ethylene dioxythipethene) Poly (styrene sulfonate) ", publicado por ACS Nano, volumen 4 nº 1, del 26 de enero de 2010 (26 - 1 -2010) , páginas 513 - 523, describe materiales compuestos de polímero que comprenden nanotubos de carbono para aplicaciones termoeléctricas.

El documento de la patente WO2009/150690 A1 describe compuestos de polímero que comprenden nanotubos de carbono para aplicaciones termoeléctricas.

Compendio Por una parte, en esta memoria se describen aparatos termoeléctricos que, en algunas realizaciones, pueden superar o mitigar una o más desventajas de los materiales termoeléctricos actuales. En algunas realizaciones, un aparato termoeléctrico descrito en esta memoria comprende al menos una capa del tipo p aplicada al menos a una capa del tipo n para proporcionar una unión pn, y una capa aislante dispuesta al menos parcialmente entre la capa del tipo p y la capa del tipo n, la capa del tipo p comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono dispuestas en una matriz de polímero y la capa del tipo n comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n dispuestas en una matriz de polímero.

En algunas realizaciones, las nanopartículas de carbono de la capa de tipo p tienen dopaje del tipo p.

En algunas realizaciones, un aparato termoeléctrico descrito en esta memoria comprende una pluralidad de capas del tipo p aplicadas a una pluralidad de capas del tipo n que proporcionan una pluralidad de uniones pn, y capas aislantes dispuestas al menos parcialmente entre las capas del tipo p y las capas del tipo n, en donde al menos una capa del tipo p comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono y una capa al menos del tipo n comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n. En algunas realizaciones, las capas del tipo p y las capas del tipo n de un aparato termoeléctrico descrito en esta memoria están en una configuración apilada.

Por otra parte, en esta memoria se describen métodos para la fabricación de aparatos termoeléctricos. En algunas realizaciones, un método para fabricar un aparato termoeléctrico comprende proporcionar al menos una capa del tipo p que comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono, proporcionar al menos una capa del tipo n que comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n, disponer una capa aislante entre la capa del tipo p y la capa del tipo n, y aplicar la capa del tipo p y la capa del tipo n para proporcionar una unión pn. En algunas realizaciones, una pluralidad de capas del tipo p y de capas del tipo n están dispuestas y aplicadas entre sí dando lugar a la formación de una pluralidad de uniones pn. En algunas realizaciones hay dispuestas capas aislantes entre las capas del tipo p y las capas del tipo n. Adicionalmente, en algunas realizaciones de los métodos para fabricar un aparato termoeléctrico, las capas del tipo p y las capas del tipo n están dispuestas en una configuración apilada.

Se describen éstas y otras realizaciones con mayor detalle en la descripción detallada que sigue a continuación.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un aparato termoeléctrico (200) comprendiendo:

al menos una capa del tipo p (1, 201) aplicada al menos a una capa del tipo n (2, 202) para proporcionar una unión pn (4) , y una capa aislante (3, 207) dispuesta parcialmente entre la capa del tipo p y la capa del tipo n, caracterizado por que la capa del tipo p comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono dispuestas en una matriz de polímero y la capa del tipo n comprende una pluralidad de nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n dispuestas en una matriz de polímero.

2. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, comprendiendo una pluralidad de capas del tipo p (1, 201) aplicadas a una pluralidad de capas del tipo n (2, 202) proporcionando una pluralidad de uniones pn (4) y capas aislantes (3, 207) dispuestas al menos parcialmente entre las capas del tipo p y las capas del tipo n.

3. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde las nanopartículas de carbono de la capa del tipo p (1, 201) comprenden nanotubos de carbono de pared única, nanotubos de carbono de pared múltiple, fulerenos o mezclas de éstos.

4. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 3, en donde las nanopartículas de carbono de la capa del tipo p (1, 201) comprenden boro.

5. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde las nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n de la capa del tipo n (2, 202) comprenden nanotubos de carbono de pared única, nanotubos de carbono de pared múltiple, fulerenos o mezclas de éstos.

6. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 5, en donde las nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n comprenden nitrógeno.

7. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la matriz de polímero de la capa del tipo p (1, 201) comprende un fluoropolímero.

8. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 7, en donde el fluoropolímero comprende fluoruro de polivinilo, fluoruro de polivinilideno, politetrafluoroetileno o mezclas de éstos.

9. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la matriz de polímero de la capa del tipo p (1, 201) comprende un poliacrílico, poliolefina o mezclas de éstos.

10. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde las nanopartículas de carbono están presentes en la matriz de polímero en una cantidad que varía desde el 5 por ciento en peso hasta el 95 por ciento en peso.

11. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 7, en donde la capa del tipo p (1, 201) tiene un coeficiente de Seebeck que varía desde 10 V/K hasta 35 V/K a una temperatura de 290ºK.

12. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la matriz de polímero de la capa de tipo n (2, 202) comprende un fluoropolímero.

13. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 12, en donde el fluoropolímero comprende fluoruro de polivinilo, fluoruro de polivinilideno, politetrafluoroetileno o mezclas de éstos.

14. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la matriz de polímero de la capa del tipo n (2, 202) comprende un poliacrílico, poliolefina o mezclas de éstos.

15. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde las nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n están presentes en la matriz de polímero en una cantidad que varía desde el 5 por ciento en peso hasta el 95 por ciento en peso.

16. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la matriz de polímero de la capa de tipo n (2, 202) proporciona las nanopartículas de carbono con dopaje del tipo n al dopante del tipo n.

17. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la capa del tipo n (2, 202) tiene un coeficiente de Seebeck que varía desde aproximadamente -10 V/K hasta aproximadamente -35 V/K a una temperatura de 290ºK.

18. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 1, en donde la capa aislante (3, 207) comprende un material de polímero aislante de la electricidad.

19. El aparato termoeléctrico (200) de la reivindicación 2 que tiene un ZT de al menos 0, 5.