Micro-generador termoeléctrico basado en contactos eléctricos pasantes.

Micro-generador termoeléctrico basado en contactos eléctricos pasantes.

Micro-generador termoeléctrico que comprende porciones (P, N) de material semiconductor alternadas entre sí, que definen filas (3) de material semiconductor agrupadas formando al menos dos capas horizontales (4) de material semiconductor, estando dichas filas separadas verticalmente entre sí por láminas (1) de sustrato eléctricamente aislante y térmicamente conductor provistas de orificios pasantes (5) que conectan eléctricamente las porciones (P, N) de material semiconductor de una capa (4), con las porciones (N, P) de material semiconductor de la capa (4) inmediatamente superior, creando columnas (8) verticales de termopares (7).

Micro-generador termoeléctrico basado en contactos eléctricos pasantes OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de la producción y transformación de energía. Más concretamente a la conversión, a pequeña escala, de energía térmica en energía eléctrica.

La invención recoge energía térmica desaprovechada y/o disipada en forma de calor, y la convierte en potencia eléctrica útil, que puede destinarse por ejemplo, a alimentar sistemas electrónicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente existe un gran interés en la captación de calor para su posterior conversión en energía eléctrica. Especialmente si dicho calor no es aprovechado para otro fin y proviene de las pérdidas que se producen en procesos de generación, transporte y/o conversión de energía.

Para ello, se han desarrollado distintos dispositivos. Así, por ejemplo, los micro-generadores termoeléctricos (micro-TEG), son capaces de convertir gradientes de temperatura en potencia eléctrica.

Un micro-TEG comprende, en su forma más básica, un único termopar (ilustrado más adelante en la figura 1). Un termopar es un dispositivo que incluye dos porciones de material semiconductor, una de ellas de tipo P y la otra de tipo N, que están unidas por uno de sus extremos (llamado parte caliente), a una fuente de calor. El otro extremo de las porciones P y N (llamado parte fría), está en contacto con una parte diferente del dispositivo, que se encuentra a una temperatura menor que la fuente de calor. Además, cada una de las porciones P y N está unida a un material térmica y eléctricamente conductor y dichas porciones están unidas eléctricamente en serie entre sí.

De este modo, entre los extremos de cada porción de semiconductor se establece una diferencia de temperatura AT, que dará lugar a la aparición de una diferencia de tensión AV entre los dos terminales eléctricos, en virtud del "efecto termoeléctrico". Esto es debido a que la diferencia de temperatura hace que los portadores (electrones y/o huecos) se desplacen de la parte caliente de las porciones de semiconductores a la parte fría, generando una corriente eléctrica.

Partiendo de esta configuración básica, una forma de mejorar la potencia eléctrica obtenida por dichos micro-generadores termoeléctricos consiste en conectar eléctricamente en serie, y térmicamente en paralelo, varios termopares entre sí. El potencial de salida es, en este caso, proporcional al número de termopares conectados. Más adelante en la figura 2 se muestra un ejemplo de un micro-TEG formado por la unión en serie de varios termopares. Alternativamente, si los termopares se conectan eléctricamente en paralelo entre sí, es posible aumentar la corriente eléctrica de salida.

En estos micro-TEG según la técnica anterior la parte caliente está situada, bien en el extremo superior o bien en el extremo inferior, de las porciones de material semiconductor. La parte fría está situada, a su vez, en el extremo contrario (tal y como se muestra más adelante en la figura 2).

Las tensiones de salida que son capaces de producir los micro-TEG actualmente conocidos en la técnica, son relativamente bajas comparadas con otro tipo de generadores. Así, y aún a pesar de los avances que se han venido produciendo en el sector desde el lanzamiento de los primeros prototipos, los dispositivos MPG-D751 actualmente comercializados por la empresa MicroPelt necesitan de un total de 540 termopares de semiconductores para poder entregar una potencia de salida de 14 mW y 2,3 V, para una diferencia de temperatura de 30°C. Además, dichos dispositivos MPG-D751 poseen una de las mayores densidades de empaquetamiento alcanzables en el estado de la técnica, que es de aproximadamente 100 termopares por mm2.

Por ello, en el sector todavía existe la necesidad de miniaturizar aún más los termopares que componen un micro-TEG, haciendo posible integrar más termopares por unidad de superficie mejorando por tanto su rendimiento, lo que incluso podría permitir nuevas aplicaciones y usos de dichos dispositivos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con objeto de abordar los problemas y desventajas de la técnica anterior arriba indicados, la invención proporciona un micro-generador termoeléctrico, que comprende:

- láminas de sustrato eléctricamente aislantes y térmicamente conductoras provistas de un extremo superior y un extremo inferior;

- porciones de material semiconductor de tipo P;

- porciones de material semiconductor de tipo N;

- una parte caliente en contacto con una fuente de calor;

- una parte fría a una temperatura más baja que la parte caliente;

Caracterizado porque:

-Las porciones de material semiconductor están dispuestas de forma alternada entre sí, definiendo filas de material semiconductor (es decir, después de cada porción de material semiconductor de tipo P está dispuesta una porción de tipo N y viceversa, después de cada porción de material semiconductor de tipo N está dispuesta una porción de tipo P);

-Dichas filas de material semiconductor están agrupadas formando al menos dos capas horizontales de material semiconductor, comprendiendo cada capa de material semiconductor una o más filas de material semiconductor dispuestas de forma paralela entre sí;

-Las capas de material semiconductor están dispuestas verticalmente unas encima de las otras y separadas verticalmente entre sí por láminas de sustrato, estando dispuesto además un material térmica y eléctricamente conductor entre las porciones de material semiconductor de una capa y las láminas de sustrato más próximas a dicha capa;

-Las porciones de material semiconductor de capas contiguas están dispuestas de forma alternada y ocupan posiciones coincidentes entre sí (esto es, si en una determinada posición de una capa está dispuesta una porción de material semiconductor de tipo P, en esa misma posición de las capas inmediatamente superior e inferior estarán dispuestas sendas porciones de material de tipo N y viceversa);

-Al menos dos porciones de material semiconductor de la capa superior y/o al menos

dos porciones de material semiconductor de la capa inferior, pertenecientes a la misma fila y/o a diferentes filas, están en contacto eléctrico entre sí;

-Las láminas de sustrato que separan dos capas de material semiconductor están provistas de orificios pasantes que conectan eléctricamente las porciones de material semiconductor de una capa, con las porciones coincidentes de material semiconductor de la capa inmediatamente superior; y porque -Las láminas de sustrato están conectadas de forma alternada entre sí a la parte caliente y a la parte fría (esto es, si una determinada lámina de sustrato está conectada a la parte caliente, las láminas de sustrato inmediatamente superior e inferior estarán conectadas a la parte fría y viceversa, según se muestra con más detalle en la figura 3).

A diferencia de la técnica anterior esta disposición específica (conforme con la presente invención) de las porciones de material semiconductor en un micro-TEG, permite la creación simultánea de termopares a lo largo de las tres dimensiones del espacio y maximiza, por tanto, el número de termopares que puede crearse por unidad de volumen. Esto es posible gracias al uso de orificios pasantes que conectan una porción de material semiconductor con la que está situada inmediatamente encima, en una capa superior.

Los términos "vertical", "horizontal", "superior", "inferior", así como el resto de expresiones que definen una determinada orientación espacial deben interpretarse según lo mostrado en las figuras 3 a 7b, descritas en detalle más adelante. Obviamente, el micro-generador termoeléctrico puede girarse de tal forma que adopte otra disposición espacial diferente, sin que por ello quede fuera del alcance de protección de la presente solicitud de patente. Así, por ejemplo las capas de material semiconductor pueden extenderse a lo largo de la dirección vertical y estar separadas lateralmente entre sí por láminas de sustrato. En este caso, los orificios comunicarían porciones de material semiconductor contiguas lateralmente, de derecha a izquierda o viceversa.

Además, dichos orificios pasantes permiten simplificar el rutado (es decir, el conjunto de conexiones eléctricas del micro-generador termoeléctrico) y minimizar pérdidas eléctricas y térmicas.

De hecho, y según se ha descrito anteriormente, la invención contempla la formación de

una matriz tridimensional de termopares, en la que además de la dirección a lo largo y la dirección a lo ancho, se formen termopares a lo alto, en forma de columnas. Esto es, entre las porciones...

1. Micro-generador termoeléctrico, que comprende:

- láminas (1) de sustrato eléctricamente aislantes y térmicamente conductoras provistas de un extremo superior y un extremo inferior;

- porciones (P) de material semiconductor de tipo P

- porciones (N) material semiconductor de tipo N;

- una parte caliente (100) en contacto con una fuente de calor;

- una parte fría (200) a una temperatura más baja que la parte caliente (100);

Caracterizado porque:

- Las porciones (P, N) de material semiconductor están dispuestas de forma alternada entre sí definiendo filas (3) de material semiconductor;

- Las filas (3) de material semiconductor están agrupadas formando al menos dos capas horizontales (4) de material semiconductor, de tal forma que cada capa (4) de material semiconductor comprende una o más filas (3) de material semiconductor dispuestas de forma paralela entre sí;

- Las capas (4) de material semiconductor están dispuestas verticalmente unas encima de las otras y separadas verticalmente entre sí por láminas (1) de sustrato, estando dispuesto además un material (66) térmica y eléctricamente conductor entre las porciones (P, N) de material semiconductor de una capa (4) y las láminas (1) de sustrato más próximas a dicha capa;

- Las porciones (P, N) de material semiconductor de capas (4) contiguas están dispuestas de forma alternada y ocupan posiciones coincidentes entre sí;

- Al menos dos porciones (P, N) de material semiconductor de la capa superior (4) y/o al menos dos porciones (P, N) de material semiconductor de la capa inferior, pertenecientes a la misma fila y/o a diferentes filas, están en contacto eléctrico entre sí, a través de conexiones (22);

- Las láminas (1) de sustrato que separan dos capas (4) de material semiconductor están provistas de orificios pasantes (5) que conectan eléctricamente al menos una porción (P, N) de material semiconductor de una capa (4), con al menos una porción (P, N) de material semiconductor de la capa (4) inmediatamente superior, definiendo

columnas (8) de termopares, de tal forma que se constituye una matriz tridimensional de termopares; y porque

- Las láminas (1) de sustrato están conectadas de forma alternada entre sí a la parte caliente (100) y a la parte fría (200).

2. Micro-generador termoeléctrico según la reivindicación 1, caracterizado porque las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa superior (4) y las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa inferior (4) son pistas eléctricamente conductoras.

3. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa superior (4) y las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa inferior (4) son conexiones dinámicas provistas de matrices de rutado basadas en interruptores electrónicos.

4. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa superior (4) y las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa inferior (4) están dispuestas sobre las caras interiores de las láminas (1) de sustrato superior e inferior.

5. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa superior (4) y las conexiones (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor en la capa inferior (4) están dispuestas sobre las caras exteriores de las láminas (1) de sustrato superior e inferior.

6. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa superior (4) y los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa inferior (4), son tales que todas las columnas 8 de termopares están unidas en serie entre sí.

7. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa superior (4) y los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa inferior (4), son tales que todas las columnas (8) de termopares están unidas en paralelo entre sí.

8. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa superior (4) y los contactos eléctricos (22) entre porciones (P, N) de material semiconductor de la capa inferior (4), son tales que al menos dos columnas (8) de termopares están conectadas en serie entre sí, mientras que las restantes columnas (8) de termopares están unidas en paralelo entre sí.

9. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las láminas (1) de sustrato comprenden al menos una capa de un material cerámico cocido a baja temperatura (LTCC), y un recubrimiento de AIN.

10. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las láminas (1) de sustrato están hechas, en su totalidad, de AIN.

11. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las porciones (P) de material semiconductor, están hechas de silicio dopado con boro ó Bi2Te3 y las porciones (N) de material semiconductor están hechas de silicio dopado fósforo ó Sb2Te3.

12. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los orificios pasantes (5) están metalizados.

13. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las láminas (1) de sustrato superior e inferior están provistas de orificios pasantes (5) que conectan las porciones de material semiconductor (P, N) de las capas (4) con el exterior.

14. Micro-generador termoeléctrico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las porciones (P, N) de material semiconductor de filas contiguas (3) en la misma capa (4) de material semiconductor están dispuestas de forma alternada.