Intercambiador de calor para un elemento de capa fina termoeléctrico.

Intercambiador de calor para al menos un elemento de capa fina termoeléctrico con un lado caliente y un lado frío,

que están dispuestos respectivamente en lados longitudinales opuestos del elemento de capa fina, estandoconectado el lado caliente mediante un elemento de acoplamiento con una fuente de calor y el lado frío con undisipador de calor, caracterizado porque

- el elemento de acoplamiento comprende al menos dos perfiles (13) con superficies exteriores (22) dispuestasuna en paralelo a la otra, estando las superficies exteriores (22) de perfiles (13) adyacentes aplicadas porambos lados en el lado caliente (12) del elemento de capa fina termoeléctrico (2),

- el disipador de calor comprende al menos dos perfiles (17) con superficies exteriores (23) dispuestas una enparalelo a la otra, estando las superficies exteriores (23) de los perfiles (17) adyacentes aplicadas por amboslados en el lado frío (11) del elemento de capa fina termoeléctrico (2),

- los perfiles (13) del elemento de acoplamiento y los perfiles (17) del disipador de calor están opuestos porparejas,

- las superficies exteriores (22, 23) aplicadas en el elemento de capa fina (2) de perfiles (13, 17) opuestos porparejas del elemento de acoplamiento y del disipador de calor están alineadas unas con otras, aunque estándispuestas a una distancia (24) entre sí y

- están conectados respectivamente dos perfiles (13, 17) opuestos del elemento de acoplamiento y deldisipador de calor mediante una estructura de soporte (26).

Intercambiador de calor para un elemento de capa fina termoeléctrico La invención se refiere a un intercambiador de calor para al menos un elemento de capa fina termoeléctrico con un lado caliente y un lado frío, que están dispuestos respectivamente en lados longitudinales opuestos del elemento de capa fina, estando conectado el lado caliente mediante un elemento de acoplamiento con una fuente de calor y el lado frío con un disipador de calor.

La transformación directa de calor en energía eléctrica es posible con un generador termoeléctrico. Para ello se usan preferiblemente materiales semiconductores con distintas dotaciones, por lo que puede aumentarse sustancialmente la eficiencia en comparación con termoelementos con dos metales distintos y unidos entre sí en un extremo. No obstante, los generadores termoeléctricos hoy día disponibles sólo tienen un rendimiento relativamente bajo. Los materiales semiconductores habituales son Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb o FeSi2 con rendimientos entre el 3 % y el 8 %. Para obtener tensiones suficientemente elevadas, varios generadores termoeléctricos se conectan eléctricamente en serie.

El funcionamiento de los generadores termoeléctricos está basado en el efecto termoeléctrico, denominado en lo sucesivo efecto Seebeck. En el efecto Seebeck se establece una tensión eléctrica entre dos puntos de un conductor

o semiconductor eléctrico, que tienen una temperatura diferente. La tensión que se genera es determinado por:

USeebeck = a · ΔT

con ΔT diferencia de temperatura entre los extremos de los conductores/semiconductores o los puntos de contacto a el coeficiente Seebeck o la llamada “fuerza térmica”.

El coeficiente Seebeck tiene la dimensión de una tensión eléctrica por diferencia de temperatura (V/K) . La tensión que se genera es independiente de la temperatura ambiente y depende sólo de la diferencia de temperatura de los puntos de contacto. Un alto rendimiento del generador termoeléctrico se consigue en un material con un alto coeficiente Seebeck que tiene al mismo tiempo una resistencia específica baja y una conductividad térmica baja.

Para aumentar el rendimiento de un generador termoeléctrico, en el documento EP 1 287 566 B1 ya se propone un elemento de capa fina termoeléctrico con al menos una capa n y al menos una capa p de un semiconductor dotado, estando dispuestas la capa n y p formando una transición pn. Con las capas n y p se establecen contactos eléctricamente selectivos. En paralelo a la capa límite entre las capas n y p está formado un gradiente de temperatura. La transición pn está realizada sustancialmente a lo largo de toda la extensión preferiblemente más larga de la capa n y de la capa p y por lo tanto sustancialmente a lo largo de toda la capa límite. Gracias al gradiente de temperatura a lo largo de la superficie límite pn de superficie grande se produce una diferencia de temperatura a lo largo de esta transición pn realizada de forma alargada entre dos extremos de un paquete de capas, que hace que el rendimiento del elemento termoeléctrico sea más elevado que en el estado de la técnica, que no presenta ningún gradiente de temperatura a lo largo y en el interior de la transición pn. El establecimiento de contactos selectivos de la capa n y p se hace ligando los contactos y las transiciones pn conectadas con los mismos mediante aleación o mediante un establecimiento de contacto directo de las distintas capas. Los contactos selectivos son contactos separados, que no están conectados con una conexión conductora entre sí, que están dispuestos en las capas p y n.

Por el documento DE 10 2006 031 164 se conoce un elemento de capa fina termoeléctrico con una estructura de soporte, en la que están dispuestos varios brazos térmicos de un primer material conductivo y varios brazos térmicos de un segundo material conductivo, presentando el primero y el segundo material conductivo una conductividad diferente y estando acoplados los brazos térmicos eléctricamente entre sí de tal modo que respectivamente dos brazos térmicos forman un termopar, estando dispuestos todos los brazos térmicos del primero y segundo material conductivo unos al lado de los otros en la estructura de soporte. El lado frío del elemento de capa fina termoeléctrico se encuentra en un lado de los primeros y segundos materiales eléctricamente conductivos y el lado caliente en el lado opuesto de los primeros y segundos materiales eléctricamente conductivos.

Por el documento DE 101 22 679 A1 se conoce finalmente un elemento de capa fina termoeléctrico que presenta un material de substrato flexible, en el que están dispuestos termopares de capa fina. Los termopares de capa fina están formados por una combinación de materiales de dos materiales diferentes, estando ajustados y acoplados térmicamente el primero y el segundo material de tal modo que forman juntos un termopar. Los dos materiales son impresos en la lámina flexible o se precipitan mediante procedimientos de precipitación habituales. Se forman tiras dispuestas unas al lado de las otras, por ejemplo de níquel como primer material y tiras de cromo como segundo material, estando conectadas eléctricamente entre sí las almas y tiras en sus extremos, respectivamente por parejas, mediante una estructura de acoplamiento del segundo material. Gracias a las almas y tiras acopladas se forma una conexión en serie de varios termopares en una superficie pequeña. El número elevado de termopares de capa fina conduce a una elevada tensión de salida del termoelemento. Las estructuras de acoplamiento eléctricos en un lado del elemento de capa fina termoeléctrico forman el lado caliente de éste, las estructuras de acoplamiento en

el lado opuesto del elemento de capa fina termoeléctrico forman el lado frío de éste, estando conectado el lado caliente mediante un elemento de acoplamiento con una fuente de calor y el lado frío con un disipador de calor.

Partiendo de este estado de la técnica, la invención tiene el objetivo de crear un intercambiador de calor del tipo indicado al principio, que permita una conexión sencilla y eficaz con el elemento de capa fina termoeléctrico y que mejore el rendimiento del elemento de capa fina termoeléctrico empelado. En particular, el intercambiador de calor también debe ser adecuado para el alojamiento de elementos de capa fina termoeléctricos de superficie grande, en particular flexibles.

La solución de como conseguir este objetivo está basada en la idea de montar los elementos de capa fina en particular flexibles entre el elemento de acoplamiento y el disipador de calor del intercambiador de calor y de absorber las cargas entre el elemento de acoplamiento y el disipador de calor mediante una estructura de soporte en particular térmicamente aislante.

Concretamente, el objetivo se consigue en un intercambiador de calor del tipo mencionado al principio porque

- el elemento de acoplamiento comprende al menos dos perfiles con superficies exteriores dispuestas una en paralelo a la otra, estando las superficies exteriores de perfiles adyacentes aplicadas por ambos lados en el lado caliente del elemento de capa fina termoeléctrico,

- el disipador de calor comprende al menos dos perfiles con superficies exteriores dispuestas una en paralelo a la otra, estando las superficies exteriores de los perfiles adyacentes aplicadas por ambos lados en el lado frío del elemento de capa fina termoeléctrico,

- los perfiles del elemento de acoplamiento y los perfiles del disipador de calor están opuestos por parejas,

- las superficies exteriores aplicadas en el elemento de capa fina de perfiles opuestos por parejas del elemento de acoplamiento y del disipador de calor están alineadas unas con otras, aunque están dispuestas a una distancia entre sí y

- están conectados respectivamente dos perfiles opuestos del elemento de acoplamiento y del disipador de calor mediante una estructura de soporte.

El desacoplamiento térmico del elemento de acoplamiento y del disipador de calor se consigue preferiblemente porque el material de la estructura de soporte presenta una menor conductividad térmica que el material de los perfiles del elemento de acoplamiento y del disipador de calor. Otro desacoplamiento se consigue porque están conectados entre sí respectivamente dos perfiles opuestos del elemento de acoplamiento y del disipador de calor exclusivamente mediante la estructura de soporte, mientras que las superficies exteriores asentadas contra el elemento de capa fina de los perfiles opuestos por parejas están dispuestas a distancia entre sí.

El desacoplamiento térmico efectivo entre el elemento de acoplamiento y el disipador de calor conduce a una elevada diferencia... [Seguir leyendo]

1. Intercambiador de calor para al menos un elemento de capa fina termoeléctrico con un lado caliente y un lado frío, que están dispuestos respectivamente en lados longitudinales opuestos del elemento de capa fina, estando conectado el lado caliente mediante un elemento de acoplamiento con una fuente de calor y el lado frío con un disipador de calor, caracterizado porque

- el elemento de acoplamiento comprende al menos dos perfiles (13) con superficies exteriores (22) dispuestas una en paralelo a la otra, estando las superficies exteriores (22) de perfiles (13) adyacentes aplicadas por ambos lados en el lado caliente (12) del elemento de capa fina termoeléctrico (2) ,

- el disipador de calor comprende al menos dos perfiles (17) con superficies exteriores (23) dispuestas una en paralelo a la otra, estando las superficies exteriores (23) de los perfiles (17) adyacentes aplicadas por ambos lados en el lado frío (11) del elemento de capa fina termoeléctrico (2) ,

- los perfiles (13) del elemento de acoplamiento y los perfiles (17) del disipador de calor están opuestos por parejas,

- las superficies exteriores (22, 23) aplicadas en el elemento de capa fina (2) de perfiles (13, 17) opuestos por parejas del elemento de acoplamiento y del disipador de calor están alineadas unas con otras, aunque están dispuestas a una distancia (24) entre sí y

- están conectados respectivamente dos perfiles (13, 17) opuestos del elemento de acoplamiento y del disipador de calor mediante una estructura de soporte (26) .

2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1, caracterizado porque tanto los perfiles (13, 17) del elemento de acoplamiento como del disipador de calor son perfiles en U con superficies exteriores (22, 23) paralelas de las bridas (14a, 14b, 18a, 18b) y las bridas (14a, 18a, 14b, 18b) de los perfiles en U (13, 17) opuestos están orientadas unas hacia las otras.

3. Intercambiador de calor según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el material de la estructura de soporte (26) presenta una conductividad térmica menor que el material de los perfiles (13, 17) del elemento de acoplamiento y del disipador de calor.

4. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la estructura de soporte

(26) está hecha de una espuma.

5. Intercambiador de calor según la reivindicación 4, caracterizado porque la espuma es una espuma de células cerradas.

6. Intercambiador de calor según la reivindicación 4 o 5, caracterizado porque la estructura de soporte (26) está hecha de una espuma rígida de plástico.

7. Intercambiador de calor según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la estructura de soporte (26) llena casi por completo el espacio intermedio entre dos perfiles en U (13, 17) opuestos.

8. Intercambiador de calor según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la estructura de soporte (26) presenta entalladuras (28) en la zona de las rendijas (25) realizadas entre las bridas (14a, 18a, 14b, 18b) de perfiles en U (13, 17) opuestos.

9. Intercambiador de calor según la reivindicación 2 y una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la estructura de soporte (26) presenta pasajes (31) que se extienden en la dirección transversal respecto a la extensión longitudinal de los perfiles en U (13, 17) .

10. Intercambiador de calor según la reivindicación 2, caracterizado porque la estructura de soporte (26) está dispuesta en la zona de las rendijas (25) realizadas entre las bridas (14a, 18a, 14b, 18b) de perfiles en U (13, 17) opuestos.

11. Intercambiador de calor según la reivindicación 10, caracterizado porque la estructura de soporte está formada por varias almas de unión (32) entre dos perfiles en U (13, 17) opuestos.

12. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque en el disipador de calor están dispuestas aletas refrigeradoras (21) .

13. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el elemento de acoplamiento presenta un bastidor, en el que están dispuestos los al menos dos perfiles (13) .

14. Intercambiador de calor según las reivindicaciones 2 y 13, caracterizado porque el bastidor está realizado como placa (16) , en cuya superficie se apoyan las almas (15) de los perfiles en U (13) que unen las bridas (14a, 14b) .

15. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el elemento de acoplamiento y/o el disipador de calor están hechos de metal, cerámica o plástico.

16. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el elemento de capa fina termoeléctrico (2) está sujetado en sus lados longitudinales respectivamente entre las superficies exteriores (22, 23) dispuestas una en paralela a la otra de perfiles (13, 17) adyacentes.

17. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el elemento de capa fina termoeléctrico (2) está pegado en sus lados longitudinales respectivamente a las superficies exteriores (22, 23) dispuestas una en paralelo a la otra de los perfiles (13, 17) adyacentes.

18. Disposición termoeléctrica con al menos un elemento de capa fina (2) así como un intercambiador de calor (3) según una de las reivindicaciones 1 a 17.