Dispositivo de transferencia térmica de Peltier moldeable y método de fabricación del mismo.

Dispositivo de transferencia térmica que comprende:

un elemento de cuerpo que tiene un material de base (102) de un primer material semiconductor de tipo N o detipo P,

con un material de relleno (104), disperso en éste, de un segundo material semiconductor de tipo N o detipo P que es diferente del primer material semiconductor, donde los primeros y los segundos materialessemiconductores son de un tipo de conductividad opuesto; el elemento de cuerpo tiene un primer lado y unsegundo lado;

un primer electrodo (106) conectado al primer lado;

un segundo electrodo (108) conectado al segundo lado;

por lo cual, el paso de la corriente eléctrica a través del elemento de cuerpo vía el primer electrodo (106) y elsegundo electrodo (108) genera un flujo térmico a través del elemento de cuerpo caracterizado por el hechode que el material de relleno (104) tiene una proporción de aspecto de 5:1 o superior.

Dispositivo de transferencia térmica de Peltier moldeable y método de fabricación del mismo Antecedentes de la invención [0001] La presente invención se refiere en general a dispositivos para su uso en la transferencia o disipación del calor para fines de gestión térmica. Por otra parte, la presente invención se refiere al uso de tales dispositivos para refrigerar partes y componentes, tales como los de un sistema informático, para que estas partes no fallen con el tiempo. La presente invención se refiere específicamente a dispositivos de transferencia de calor de estado sólido para estos fines.

En el estado de la técnica, hay muchos dispositivos de diferentes tipos que se pueden usar para la gestión térmica, tal como para refrigerar objetos. Estos dispositivos tienen una aplicación particular, por ejemplo, en la gestión térmica dentro de un entorno informático. Soluciones térmicas típicas incluyen disipadores de calor con aletas y ventiladores mecánicos para refrigerar partes que se calientan. No obstante, estas soluciones pueden ser costosas e ineficaces.

También existe la necesidad de dispositivos para su uso como fuentes de calor para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, una placa caliente se puede utilizar para calentar un asiento de vehículo o para aumentar la temperatura de componentes mecánicos para mejorar el funcionamiento de los mismos. Estas soluciones han sido típicamente bobinas con agua caliente en las mismas o resistencias que se calientan cuando la electricidad pasa a través de ellas. No obstante, estos métodos son costosos e ineficaces.

Se ha intentado en el estado de la técnica proporcionar una sustitución del estado sólido para las soluciones térmicas mecánicas anteriormente mencionadas usando materiales que aprovechen el efecto de Peltier. El efecto de Peltier es la creación de una diferencia de calor a partir de un voltaje eléctrico. Más específicamente, ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales distintos o semiconductores, por ejemplo material tipo N y tipo P, que están conectados entre sí en dos conjunciones, conocidas como conjunciones de Peltier. La corriente conduce una transferencia de calor desde una conjunción a la otra, donde una conjunción enfría mientras que la otra calienta.

En referencia al diagrama de circuito de la técnica anterior, Fig. 1, cuando una corriente I se hace que fluya a través del circuito, el calor se desarrolla en la conjunción superior (en T2) y es absorbido en la conjunción inferior (en T1) . El calor de Peltier absorbido por la conjunción inferior por unidad de tiempo, Q es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB del termopar completo, y ΠAy ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo P típicamente tiene un coeficiente de Peltier positivo, que típicamente no está por encima de aproximadamente 550 K, mientras que el silicio tipo N es típicamente negativo.

En este efecto de Peltier, los conductores intentan retornar al equilibrio de electrones que existía antes de que se aplicara la corriente por absorción de energía en un conector y liberación de ésta en el otro. Los pares individuales se pueden conectar en serie para mejorar el efecto de Peltier. La dirección de transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente, la inversión de la polaridad cambiará la dirección de transferencia y así el signo del calor absorbido/desarrollado. En el estado de la técnica se ha intentado aprovechar el efecto de Peltier para fines de refrigeración y de calentamiento. Por ejemplo, se conoce un refrigerador/calentador de Peltier o bombas de calor termoeléctrico, que son bombas de calor activas en estado sólido que transfieren calor de un lado del dispositivo al otro. Los refrigeradores de Peltier también se denominan TEC (convertidor termoeléctrico, por su sigla en inglés) . Estos dispositivos de Peltier en estado sólido de la técnica anterior tienen una configuración en forma de placa y típicamente incluyen un conjunto alternante de materiales tipo P y tipo N.

Por ejemplo, un módulo termoeléctrico 10, que se muestra en la Fig. 2, es un ejemplo de tal dispositivo de Peltier del estado de la técnica donde sólo se muestra una conjunción P-N para fines aclaratorios. Un módulo termoeléctrico típico 10 se fabrica utilizando dos láminas de cerámica finas 22, 24 con una serie de material tipo N 12 y tipo P 14 y semiconductor, tal como un material dopado con bismuto-telurio, intercalado entre ellos. Los contactos eléctricos 30 están provistos también para entregar corriente desde la fuente de energía 32. El material cerámico 22, 24 en ambos lados del termoeléctrico aporta rigidez y el aislamiento eléctrico necesario desde el disipador de calor 26 y el objeto 28 que se debe enfriar. El material tipo N 12 tiene un exceso de electrones, mientras el material tipo P 14 tiene un déficit de electrones. Un tipo N 12 y un tipo P 14 componen una par 34, como se muestra en el estado de la técnica Fig. 2.

Los pares termoeléctricos 34 están dispuestos eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Un módulo termoeléctrico 10 puede contener de uno a varios cientos de pares, por ejemplo. El estado de la técnica en la Fig. 3 muestra un ejemplo de un dispositivo de termopar de estado de la técnica 10 que incluye un conjunto de material tipo P

y material tipo N dispuestos en serie. El material tipo N 12 y material tipo P 14 están específicamente dispuestos en filas alternantes donde los electrodos 16, 18 y 20 están provistos de forma alternante para conectar los materiales en serie para crear una cadena de interfaces N-P, P-N y N-P, y así sucesivamente. En el dispositivo de la figura 3, los electrodos 16 y 20 están ubicados sobre la placa mientras que el electrodo 18 está ubicado en el fondo de la placa. La capas aislantes típicas no se muestran en la Fig. 3 para mayor claridad de la ilustración. Esta disposición garantiza que la corriente fluya desde los electrodos 16 y 18 y luego hasta el 18. Se puede apilar un gran número de estas placas junto con el material aislante dieléctrico apropiado entre las mismas, como se ha descrito anteriormente.

Aunque estos termopares del estado de la técnica pueden ser útiles en entornos determinados, sólo son aproximadamente 10% eficaces debido al calor de Joule y la reacción térmica. Así, en los dispositivos de la técnica anterior, debe usarse un material térmicamente conductivo muy bajo para prevenir esta respuesta térmica. Estos dispositivos de la técnica precedente también tienen la desventaja de que tienen una fabricación difícil y costosa y de que están limitados en su configuración a filas alternantes precisas y específicas de materiales tipo P y tipo N con guías alternantes precisamente ubicadas. Así, las aplicaciones para este tipo de dispositivos en forma de placa están limitadas a tales aplicaciones que pueden alojar dispositivos de enfriamiento de tal configuración. Como resultado, no se pueden conformar fácilmente en formas y configuraciones diferentes para su uso en diferentes tipos de aplicaciones que requieran un dispositivo refrigerante que no tenga forma de placa.

Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo tipo Peltier que se pueda conformar en cualquier tipo de forma o configuración, que sea más eficaz que los dispositivos de la técnica precedentes, siendo aún capaz de servir como dispositivo de refrigeración o de calentamiento para la gestión térmica. La US-A-3 256 700 divulga elementos termoeléctricos y un proceso para la producción de los mismos. Así, un compuesto estable o una combinación de compuestos del grupo de ciertos óxidos están dispersos dentro de un material de matriz termoeléctrica, donde el material se caracteriza por un gran coeficiente de Seebeck y un coeficiente negativo de resistividad. V. H. Guerrero et al. divulgan en un artículo "Thermoelectric property tailoring by composite engineering" (En: Journal of material science, 37 (2002) , 4127-4136) compuestos estructurales termoeléctricos que incluyen compuestos de matriz de polímero de fibra de carbono y compuestos de matriz de cemento de fibra corta.

Resumen de la invención [0013] La presente invención mantiene las ventajas de los dispositivos de transferencia térmica de la técnica anterior. Además, proporciona nuevas ventajas que no se encuentran en los dispositivos actuales disponibles y supera muchas desventajas de tales dispositivos actualmente disponibles.

La invención se define en las reivindicaciones 1 y 6 y se dirige en general al nuevo y único dispositivo de transferencia térmica, que incluye un elemento de cuerpo que tiene un material de base de un primer material semiconductor de un primer tipo de conductividad con un... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de transferencia térmica que comprende:

un elemento de cuerpo que tiene un material de base (102) de un primer material semiconductor de tipo N o de tipo P, con un material de relleno (104) , disperso en éste, de un segundo material semiconductor de tipo N o de tipo P que es diferente del primer material semiconductor, donde los primeros y los segundos materiales semiconductores son de un tipo de conductividad opuesto; el elemento de cuerpo tiene un primer lado y un segundo lado; un primer electrodo (106) conectado al primer lado; un segundo electrodo (108) conectado al segundo lado; por lo cual, el paso de la corriente eléctrica a través del elemento de cuerpo vía el primer electrodo (106) y el segundo electrodo (108) genera un flujo térmico a través del elemento de cuerpo caracterizado por el hecho de que el material de relleno (104) tiene una proporción de aspecto de 5:1 o superior.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde el material de base (102) se fabrica a partir de un material semiconductor tipo P.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, donde el material de base (102) se fabrica a partir de un material semiconductor de tipo N.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, donde el material de relleno (104) se fabrica a partir de un material

semiconductor de tipo P. 25

5. Dispositivo según la reivindicación 1, donde el material de relleno (104) se fabrica a partir de un material semiconductor de tipo N.

6. Método de fabricación de un dispositivo de transferencia térmica caracterizado por los siguientes pasos:

proporcionar un material de base moldeable (102) de un primer material semiconductor de tipo N o de tipo P; rellenar el material de base (102) con un material de relleno (104) de un segundo material semiconductor de tipo N o de tipo P que es diferente del primer material semiconductor, donde los primeros y los segundos materiales semiconductores son de un tipo de conductividad opuesto;

formar el material de base moldeable (102) , con relleno (104) disperso en éste, en un elemento de cuerpo que tiene un primer lado y un segundo lado; fijar un primer electrodo (106) al primer lado; fijar un segundo electrodo (108) conectado al segundo lado; y por lo cual, el paso de la corriente eléctrica a través del elemento de cuerpo genera un flujo térmico a través del

elemento de cuerpo y donde el material de relleno (104) tiene una proporción de aspecto de 5:1 o superior.

7. Método según la reivindicación 6, donde el material de base (102) se fabrica a partir de un material semiconductor de tipo P.

8. Método según la reivindicación 6, donde el material de base (102) se fabrica a partir de un material semiconductor de tipo N.

9. Método según la reivindicación 6, donde el material de relleno (104) se fabrica a partir de un material semiconductor

de tipo P. 50

10. Método según la reivindicación 6, donde el material de relleno (104) se fabrica a partir de un material semiconductor de tipo N.

11. Método según la reivindicación 6, donde la base se rellena con un relleno (104) por pultrusión. 55

12. Método según la reivindicación 6, donde la base se llena con relleno (104) por extrusión.