La presente invención tiene por objeto un dispositivo para generación de electricidad o generador de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje que comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto,

que presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas. La presente invención también se refiere a un proceso de obtención de dicho dispositivo.

Dispositivo generador de potencia electrica

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto un dispositivo para generación de electricidad o generador de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje que comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto, que presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas.

La presente invención también se refiere a un proceso de obtención de dicho dispositivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

Los materiales termoeléctricos fueron descubiertos en 1821, considerándose materiales sólidos semiconductores que generan una corriente eléctrica cuando existe un gradiente de temperatura en su interior; esta propiedad hace posible producir directamente corriente eléctrica aplicando una fuente de calor en una de sus caras mientras exponemos la otra a la intemperie o a un foco frío.

Un material termoeléctrico transforma calor en electricidad y puede reciclar energía residual de procesos industriales mediante dispositivos muy sencillos, sin elementos móviles, sin desgaste, sin mantenimiento activo ni pasivo y produce electricidad de manera constante si está sometido a un flujo de calor continuo.

La longevidad de estos dispositivos hace que sean capaces de funcionar durante más de 15 años, en algunos casos incluso 20, lapso de tiempo cumplido hoy en día por los sistemas de generación de electricidad de las sondas espaciales "Pioneer 11", "Voyager" y "Galileo".

Aproximadamente un tercio de la energía consumida en procesos de fabricación modernos es emitida a la atmósfera o a sistemas de refrigeración (T. Hendrick, W. T. Choate, Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat recover y , U. S. Department of Energy 2006) , lo que representa unos 127 días de consumo de petróleo por año. Por consiguiente, la oportunidad que este aspecto representa para la aplicación de materiales termoeléctricos en el reciclaje de energía es obviamente interesante.

Haciendo un análisis cronológico, observamos que el año 1960 supuso un gran avance para la consolidación de esta tecnología al fundarse la compañía KELK. Esta empresa se dedicó a comercializar módulos termoeléctricos (TE) para electrónica, tecnología aeroespacial, tratamientos médicos, agricultura, biotecnología, comunicaciones por fibra óptica, meteorología, comunicaciones por satélite y aparatos de laboratorio, entre otras cosas, lo cual supuso un gran avance en este campo de la técnica (Kin-ichi Uemura, Histor y of Thermoelectricity in Japan, Journal of of Thermoelectricity, nº 3, pp. 7-16, 2002) .

Sin embargo, hasta 1995 aproximadamente, las aplicaciones prácticas de materiales termoeléctricos se mantuvieron en un nivel muy discreto y los rendimientos de los materiales disponibles hasta esta fecha eran también moderados. Las aplicaciones prácticas se concentraban por entonces en estudios con los compuestos PbTe, SbTe, Bi2Te y GeSi aplicados generalmente en el campo de la refrigeración en electrónica, así como en naves espaciales demasiado alejadas del sol para utilizar como fuente de energía la radiación de nuestra estrella. En lo referente a los rendimientos de transformación calor-electricidad eran también moderados, obteniéndose entre un 2 y un 5% en la mayoría de casos.

Otro factor limitante era la utilización de un elemento escaso como el telurio (Te) , cuya producción anual apenas supera las 400 toneladas por año, lo cual implica un alto coste en el mercado para la adquisición de este material; por lo que se hace necesario el avance en el estudio de diferentes sistemas generadores de electricidad que solventen esta limitación, entre otras.

Un evento relevante en la historia de estos dispositivos que certifica la capacidad para aumentar la potencia de los mismos fue el lanzamiento al espacio de la sonda Cassini en 1997 con un generador termoeléctrico de 293 vatios (W) . (Rowe, D. M., Thermoelectics Handbook: Macro to Nano, Boca Raton, CRC Press, 2006) .

Dentro de las ultimas aplicaciones de este tipo de dispositivos termoeléctricos, destaca la empleada por la compañía BBST que ha desarrollado un módulo capaz de generar 125 W con el calor residual de un motor de combustión interna de un automóvil, que consiste en un único módulo tubular (basado en el sistema termopar) que utiliza telurio, con el inconveniente anteriormente descrito.

ES 2 380 966 Al Así, se puede observar que en el estado de la técnica actual, entre los planteamientos actuales de cara a la explotación de la termoelectricidad, dominan las configuraciones basadas en la utilización de pequeños termopares conectados en serie instalados entre paredes de materiales poco conductores como la alúmina.

Sin embargo, todas estas aproximaciones del estado de la técnica presentan la limitación de requerir una construcción manual para dichos dispositivos, lo cual encarece en tiempo, mano de obra y dinero el proceso de fabricación de los mismos, no siendo posible la automatización de la fabricación de estos dispositivos.

Así, el dispositivo de la presente invención soluciona este problema del estado del arte, permitiendo automatizar su fabricación frente a la construcción manual que mayoritariamente se utiliza en la actualidad. Esto es posible gracias a que el dispositivo generador de electricidad objeto de la presente invención es capaz de generar potencia eléctrica utilizando una sola unidad generadora en lugar conectar en serie múltiples termopares.

Adicionalmente el dispositivo objeto de la presente invención presenta la ventaja de emplear paredes externas con alta conductividad eléctrica y térmica suponen una importante mejora en cuanto a rendimiento frente a las paredes externas de alúmina.

Por otro lado, los dispositivos generadores de potencia eléctrica del estado de la técnica, utilizan materiales en los módulos generadores como el telurio (Te) , que como se ha citado anteriormente es escaso en la naturaleza a diferencia de la presente invención que utiliza materiales generadores como Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, o Se de forma preferida.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Para el objeto de la presente invención se utilizan indistintamente los siguientes términos:

- "dispositivo termoeléctrico", "dispositivo generador de electricidad" y "dispositivo generador de potencia eléctrica".

- "capa" o "lamina" y,

- "capas" o "laminas".

La presente invención se ha desarrollado con el fin de proporcionar un dispositivo generador de potencia eléctrica con muy baja diferencia de potencial y una intensidad muy elevada que utiliza una sola unidad generadora en lugar conectar en serie múltiples termopares como se esta haciendo en la industria

Así, el diseño del dispositivo permite automatizar su fabricación frente a la construcción manual que mayoritariamente se esta utilizando actualmente.

Esto es posible gracias al uso de paredes externas con alta conductividad, tanto eléctrica como térmica, que suponen una importante mejora en cuanto a rendimiento frente a las paredes externas de alúmina que se utilizan de forma mayoritaria a día de hoy. Por otro lado, deja de ser necesario el uso del proceso de sinterización en la producción de dicho material termoeléctrico, pudiéndose obtener este mediante un proceso de fusión directa.

Las distintas configuraciones alternativas propuestas como objeto de la presente invención permiten utilizar diversos materiales termoeléctricos en la unidad de generación, incluso realizando aleaciones por termo-difusión in situ agilizando de ese modo el proceso productivo.

El dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje, objeto de la presente invención, comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto y se caracteriza porque presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa...

1. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje que comprende al menos tres capas con igual superficie de contacto caracterizado porque presenta dos capas exteriores formadas por materiales con alta conductividad térmica y eléctrica y al menos una capa interior formada por materiales con propiedades termoeléctricas.

2. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje según la reivindicación 1 caracterizado porque el material de las capas exteriores es cobre.

3. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje según la reivindicación 1 caracterizado porque tiene varias capas interiores.

4. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque el material de la capa interior o capas interiores varía en función de rangos de temperatura.

5. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje según las reivindicaciones 3 a 4 caracterizado porque los materiales de la capa interior son al menos uno del grupo formado por Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, Te o Se.

6. Dispositivo para la generación de potencia eléctrica con alta intensidad y bajo voltaje según las reivindicaciones 1 y 4 a 5 caracterizado porque los materiales de la capa interior son:

- BiSb, Zn4Sb3, ZnSb, Zn4Sb3 o SnAg (con una cantidad de Sn del 2% y de Ag del 0, 1%) dispuestos en varias capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 400º C y 600º C.

- Bi y Sb dispuestos en al menos dos capas, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 0º C y 150 º C, donde adicionalmente comprende una interfase de BiSb, situando el Sb en la zona de mayor exposición térmica y el Bi en la zona de menor exposición térmica.

- Zn4Sb3 o ZnSn dispuestos en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 250º C y 450º C.

- AlSb dispuesto en una sola capa, para un dispositivo que soporta un intervalo de temperatura entre 450º C y 750º C.

7. Procedimiento de obtención del dispositivo de la reivindicación 1 caracterizado porque la capa o capas del material termoeléctrico se deposita o depositan mediante un proceso seleccionado de los siguientes: electrólisis, pulverización catódica, difusión térmica, inmersión o soldadura.

8. Procedimiento de obtención según la reivindicación 7 caracterizado porque en el caso de existir varias capas éstas se unen por un método de difusión aplicando calor y presión.

9. Dispositivo generador de potencia eléctrica obtenido por el proceso de las reivindicaciones 7 u 8.

FIGURAS

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201131652

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 14.10.2011

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional DOCUMENTOS RELEVANTES

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD H01L35/32 (2006.01)

H01L35/34 (2006.01) H01L35/18 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

H01L

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

OPINIÓN ESCRITA

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 27.04.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

OPINIÓN ESCRITA

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

El documento D1, que se considera uno de los documentos más cercanos al objeto de la invención, describe un dispositivo generador potencia eléctrica que comprende al menos tres capas (véase figura 1) con igual superficie de contacto (en la figura 1, las tres capas tienen la misma superficie de contacto) , que presenta dos capas exteriores (2) formadas por materiales de alta conductividad térmica y eléctrica (capas soldables) y al menos una capa interior (1) formada por materiales con propiedades termoeléctricas (capas activas termoeléctricamente) . Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 2ª:

El material de las capas exteriores en el documento D1 es cobre (reivindicación 3, página 2, línea 62) .

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 3ª

En la figura 3, se muestra que el dispositivo termoeléctrico cuenta con varias capas interiores.

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 4ª

El material de las capas interiores varía en función del rango de temperaturas, por ejemplo en D1 en la página 2, línea.

2. 38 se divulga el someter al dispositivo a temperaturas de 450º C, en consecuencia el material varía en función de los rangos de temperatura.

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

OPINIÓN ESCRITA

Reivindicación 5ª

Los materiales de la capa interior en D1 son, según se dice en la reivindicación 3ª de D1, algunos como Zn, Sn, Sb, Te, Pb, que son materiales que coinciden la menos uno del grupo formado por Sb, Zn, Sn, Ag, Co, Pb, Au, S, Te ó Se.

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 6ª

El uso de los materiales reivindicados va ligado al rango de temperaturas que soporta el dispositivo.

En el documento D02 se divulga el uso del material ZnSb. En el documento D04 ó en el D05 se divulga el uso de BiSb, en D01 el uso de Sn, en el documento D6 se reivindica el uso del material Zn4Sb3, y en el documento D07 se divulga el uso de AlSb (reivindicación 1) .

Por lo tanto, la utilización de los materiales de la capa interior es algo conocido por los documentos mostrados.

En consecuencia un técnico en la materia que partiera de D01 ó D02, y tuviera conocimiento de cualquiera de los otros documentos citados, los combinaría sin intervención alguna de actividad inventiva logrando una capa intermedia con los materiales reivindicados para un dispositivo termoeléctrico.

La materia de esta reivindicación 6ª carece de actividad inventiva según lo establecido en el Art 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 7ª

En el documento D01 se está utilizando difusión térmica, como medio de deposición del material termoeléctrico. Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 8ª.

En el documento D1 se divulga la aplicación de presión y calor, véase página 1, líne.

5. 56

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 9ª

No siendo novedoso el procedimiento, el dispositivo obtenido por el procedimiento obtenido tampoco es novedoso.

Por lo tanto, la materia de esta reivindicación carece de novedad según lo establecido en el Artículo 6.1 de la LP 11/86.