Dispositivo de generación de energía eléctrica, haz de intercambio de calor que comprende tal dispositivo e intercambiador de calor que comprende tal haz.

Dispositivo de generación de energía eléctrica por conversión de energía calorífica en energía eléctrica,

que comprende:

- un primer conducto (5) de circulación de un fluido caliente, teniendo el fluido caliente una temperatura T1;

- un segundo conducto (6) de circulación de un fluido frío, teniendo el fluido frío una temperatura T2 que es inferior a la temperatura T1 del fluido caliente; y

- un elemento termoeléctrico (10, 10'), que tiene al menos dos caras (10A, 10B), dispuesto para generar una corriente eléctrica entre sus caras (10A, 10B) cuando están a temperaturas diferentes,

- medios de conducción térmica (15, 16) que se presentan en forma de una primera placa intercalada caliente de conducción térmica (15), por ejemplo una placa metálica, unida al conducto (5) de fluido caliente, y de una segunda placa intercalada fría de conducción térmica (16), por ejemplo una placa metálica, unida al conducto (6) de fluido frío, estando unidas las placas intercaladas caliente y fría (15, 16) a dos caras diferentes (10A, 10B) del elemento termoeléctrico (10, 10') y atravesando cada conducto de fluido (5, 6) las dos placas intercaladas (15, 16).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/057729.

Solicitante: VALEO SYSTEMES THERMIQUES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 8, RUE LOUIS LORMAND LA VERRIERE 78320 LE MESNIL SAINT-DENIS FRANCIA.

Inventor/es: SIMONIN, MICHEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F28D7/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL.F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › Aparatos cambiadores de calor que tienen conjuntos fijos de canalizaciones tubulares para los dos medios que intercambian calor, estando cada uno de los medios en contacto con un lado de la pared de la canalización.
  • F28F1/32 F28 […] › F28F PARTES CONSTITUTIVAS DE APLICACION GENERAL DE LOS APARATOS INTERCAMBIADORES O DE TRANSFERENCIA DE CALOR (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; purgadores de agua o aire, ventilación F16). › F28F 1/00 Elementos tubulares; Conjuntos de elementos tubulares (especialmente adaptados para el movimiento F28F 5/00). › teniendo los medios partes que se engarzan con otros elementos tubulares.
  • H01L35/30 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 35/00 Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión de materiales diferentes, es decir, que presentan el efecto Seebeck o el efecto Peltier, con o sin otros efectos termoeléctricos o termomagnéticos; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › caracterizados por los medios de cambio de calor de la unión.

PDF original: ES-2549733_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Dispositivo de generación de energía eléctrica, haz de intercambio de calor que comprende tal dispositivo e intercambiador de calor que comprende tal haz

El invento se refiere al dominio de la termoelectricidad y, más particularmente, a la conversión de la energía calorífica (calor) en energía eléctrica (electricidad) .

Uno de los objetos del invento es limitar la emisión de partículas contaminantes por un vehículo automóvil limitando su consumo de energía extraída del carburante y utilizando, como sustituto parcial, energía eléctrica generada por los elementos termoeléctricos.

Se conocen elementos termoeléctricos, que tienen al menos dos caras, que tienen la particularidad de generar una corriente eléctrica entre las dos caras del elemento cuando las caras están a temperaturas diferentes. Dicho de otra manera, si se calienta una cara del elemento termoeléctrico enfriando al mismo tiempo su otra cara, se crea un desplazamiento de electrones entre las caras caliente y fría del elemento termoeléctrico, formando el desplazamiento de electrones una corriente eléctrica. Cuanto más importante es la diferencia de temperaturas entre las caras del elemento termoeléctrico, mayor es la energía eléctrica generada por el elemento. La generación de una corriente eléctrica por un elemento termoeléctrico sometido a una diferencia de temperaturas (gradiente térmico) es conocida bajo la designación de «efecto Seebeck».

Los elementos termoeléctricos son utilizados principalmente en la fabricación de las alas de los satélites espaciales. Un ala de satélite comprende, tradicionalmente, una primera cara caliente que está girada hacia el sol y una segunda cara fría, opuesta a la primera, que está girada hacia el espacio sideral. Así, disponiendo un elemento termoeléctrico entre las dos caras de un ala de un satélite espacial, se puede generar una corriente eléctrica para alimentar diferentes equipos eléctricos del satélite.

Uno de los inconvenientes de los elementos termoeléctricos consiste en el hecho de que poseen un rendimiento muy débil de conversión de la energía calorífica en energía eléctrica, siendo este rendimiento tradicionalmente del orden del 1 al 10%. También, es necesario proporcionar una gran cantidad de calor al elemento termoeléctrico para generar una corriente eléctrica suficiente que permita alimentar al menos un equipo eléctrico.

Con el fin de limitar las pérdidas térmicas y de aumentar el rendimiento de conversión, se conocen dispositivos de generación de energía eléctrica en los que las caras de un elemento termoeléctrico, que tiene al menos dos caras, están directa y respectivamente en contacto con una fuente de calor fría y con una fuente de calor caliente. Durante el contacto directo entre una fuente de calor (fría o caliente) y una cara del elemento termoeléctrico, la energía calorífica que proviene de la fuente de calor es transmitida con pocas pérdidas térmicas al elemento termoeléctrico. Por el contrario, desde el punto de vista eléctrico, por el hecho del contacto directo entre la fuente de calor (fría o caliente) y la cara del elemento termoeléctrico, la energía eléctrica tiene tendencia a dispersarse en la fuente de calor sin poder ser explotada.

A título de ejemplo, cuando las fuentes de calor caliente y fría se presentan respectivamente en forma de fluidos caliente y frío que circulan en conductos de fluido metálicos, aparecen fugas eléctricas tanto en los conductos de fluido metálicos como en los propios fluidos. En razón de las pérdidas eléctricas, la cantidad de energía que se puede explotar es muy pequeña.

La corriente eléctrica que se crea entre las dos caras del elemento termoeléctrico por efecto Seebeck es tradicionalmente encaminada fuera del dispositivo de generación de energía eléctrica por cables eléctricos unidos a las caras de dicho elemento termoeléctrico. Sin embargo, tales cables son complejos de conectar al elemento termoeléctrico cuando este último está «emparedado» (intercalado) entre dos conductos de fluido metálicos. Además, la presencia de cables de encaminamiento de la corriente eléctrica aumenta el riesgo de cortocircuito en el seno del dispositivo de generación de energía eléctrica.

El documento US 2005/087222 A1 (MULLER-WERTH BERNHARD [DE]) de 28 de abril de 2005 (2005-04-28) describe un dispositivo en el que elementos termoeléctricos p, n están en contacto con aletas calientes 6 y frías 6. Las aletas calientes 6 están en comunicación con conductos de calor 8 y las aletas frías 6 están en comunicación con conductos de calor 8. Los conductos de calor 8, 8 están a su vez en relación con los depósitos de fluido, un depósito 11 de fluido caliente para los conductos de calor 8 y un depósito 11 de fluido frío para los conductos de calor 8. Dicho de otra manera, los conductos de calor 8, 8 están interpuestos entre los depósitos 11, 11 y las aletas 6, 6. El documento US 2006/157102 A1 (NAKAJIMA KENCHIRO [JP] ET AL) 20 de Julio de 2006 (2006-07-20) describe un dispositivo en el que placas 9A, 9B están intercaladas entre los elementos termoeléctricos 25 y conductos de circulación de fluidos 15, 21. Son paralelas a los conductos y, no son por tanto, atravesadas por los tubos.

Con el fin de eliminar estos inconvenientes, el invento se refiere a un dispositivo de generación de energía eléctrica por conversión de energía calorífica en energía eléctrica, que comprende:

- un primer conducto de circulación de un fluido caliente, teniendo el fluido caliente una temperatura T1; -un segundo conducto de circulación de un fluido frío, teniendo el fluido frío una temperatura T2 que es inferior a la temperatura T del fluido caliente; y -un elemento termoeléctrico, que tiene al menos dos caras, dispuesto para generar

una corriente eléctrica entre sus caras cuando están a temperaturas diferentes, -medios de conducción térmica que se presentan en forma de una primera placa intercalada caliente de conducción térmica, por ejemplo una placa metálica, unida al conducto de fluido caliente, y una segunda placa intercalada fría de conducción térmica, por ejemplo una placa metálica, unida al conducto de fluido frío, estando unidas las placas intercaladas caliente y fría a dos caras diferentes del elemento termoeléctrico y atravesando cada conducto de fluido las dos placas intercaladas.

Los medios de conducción térmica del dispositivo de generación de energía eléctrica permiten ventajosamente favorecer la transmisión de calor entre el elemento termoeléctrico y los conductos de fluidos, permitiendo así proporcionar una gran cantidad de energía calorífica y generar una gran cantidad de energía eléctrica por efecto Seebeck.

Además, los medios de conducción térmica forman un elemento intermedio para la conducción eléctrica entre los conductos de fluidos y el elemento termoeléctrico, limitando así las pérdidas eléctricas desde el elemento termoeléctrico hacia los conductos de fluidos y los propios fluidos.

De preferencia, los medios de conducción térmica están dispuestos para formar, con el elemento termoeléctrico, una pila eléctrica cuyos dichos medios de conducción térmica son los bornes.

Así, se puede tomar la corriente eléctrica generada por el elemento termoeléctrico por los medios de conducción térmica, evitando así recurrir a cables eléctricos suplementarios dedicados al transporte de la corriente eléctrica que son voluminosos y susceptibles de crear cortocircuitos.

De preferencia, los medios de conducción térmica están dispuestos para aislar eléctricamente los conductos de fluido del elemento termoeléctrico, permitiendo ventajosamente limitar aún mejor las pérdidas eléctricas en el dispositivo.

Los medios de conducción térmica desempeñan así ventajosamente una doble función (conducción térmica y aislamiento térmico) , lo que permite aumentar el rendimiento de conversión de la energía calorífica conservando un dispositivo compacto.

De preferencia aún, los medios de conducción térmica están dispuestos para asegurar el mantenimiento en posición de los conductos de fluidos. Los medios de conducción térmica desempeñan así una función suplementaria de mantenimiento, lo que permite formar dispositivos de generación de energía muy compactos.

Según el invento, los medios de conducción térmica se presentan en la forma de una primera placa intercalada caliente de conducción térmica, por ejemplo una placa metálica, unida al conducto de fluido caliente, y una segunda placa intercalada fría de conducción térmica, por ejemplo una placa metálica, unida al conducto de fluido frío, estando unidas las placas intercaladas caliente... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de generación de energía eléctrica por conversión de energía calorífica en energía eléctrica, que comprende:

- un primer conducto (5) de circulación de un fluido caliente, teniendo el fluido caliente una temperatura T1;

- un segundo conducto (6) de circulación de un fluido frío, teniendo el fluido frío una temperatura T2 que es inferior a la temperatura T1 del fluido caliente; y -un elemento termoeléctrico (10, 10) , que tiene al menos dos caras (10A, 10B) , dispuesto para generar una corriente eléctrica entre sus caras (10A, 10B) cuando están a temperaturas diferentes, -medios de conducción térmica (15, 16) que se presentan en forma de una primera placa intercalada caliente de conducción térmica (15) , por ejemplo una placa metálica, unida al conducto (5) de fluido caliente, y de una segunda placa intercalada fría de conducción térmica (16) , por ejemplo una placa metálica, unida al conducto (6) de fluido frío, estando unidas las placas intercaladas caliente y fría (15, 16) a dos caras diferentes (10A, 10B) del elemento termoeléctrico (10, 10) y atravesando cada conducto de fluido (5, 6) las dos placas intercaladas (15, 16) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que los medios de conducción térmica (15, 16) están dispuestos para formar, con el elemento termoeléctrico (10, 10) , una batería eléctrica en la que dichos medios de conducción térmica (15, 16) son los bornes.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 2, en la que los medios de conducción térmica (15, 16) están dispuestos para aislar eléctricamente los conductos de fluidos (5, 6) del elemento termoeléctrico (10, 10) .

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de conducción térmica (15, 16) están dispuestos para asegurar el mantenimiento en posición de los conductos de fluidos (5, 6) .

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que cada placa intercalada (15, 16) comprende un orificio de aislamiento térmico (151, 161) y un orificio de conducción térmica (152, 162) .

6. Haz (3) de intercambio de calor de un intercambiador de calor (1) de vehículo automóvil destinado a refrigerar un fluido a enfriar, circulando dicho fluido a enfriar en al menos un conducto de fluido a enfriar, siendo refrigerado dicho fluido a enfriar por un fluido portador de calor, de temperatura inferior a la del fluido a enfriar, circulando dicho fluido portador de calor en al menos un conducto de fluido portador de calor, comprendiendo dicho haz (3) un dispositivo de generación de energía eléctrica según una de las reivindicaciones 1 a 5, formando el conducto de fluid a enfriar el conducto (5) de fluido caliente y formando el conducto de fluido portador de calor el conducto (6) de fluido frío.

7. Haz según la reivindicación 6, que comprende una pluralidad de conductos (5) de fluido a enfriar y una pluralidad de conductos (6) de fluido portador de calor, en el que los conductos (5) de fluido a enfriar se alternan espacialmente con los conductos (6) de fluido portador de calor.

8. Haz según la reivindicación 7, en el que la pluralidad de conductos (6) de fluido portador de calor es mantenida en posición por una pluralidad de placas intercaladas frías (16) y la pluralidad de conductos (5) de fluido a enfriar es mantenida en posición por una pluralidad de placas intercaladas calientes (15) , alternándose espacialmente las placas intercaladas frías (16) con las placas intercaladas calientes (15) .

9. Haz según la reivindicación 8, en el que los conductos (6) de fluido portador de calor y los conductos (5) de fluido a enfriar son paralelos y coplanarios y forman, con las placas intercaladas calientes y frías (15, 16) , una fila (R1, R2) del haz (3) de intercambio de calor.

10. Haz según una de las reivindicaciones 8 y 9, en el que elementos termoeléctricos (10) están dispuestos entre las placas intercaladas frías (16) y las placas intercaladas calientes (15) , teniendo cada elemento termoeléctrico (10) una cara en contacto con una placa intercalada caliente (15) y otra cara en contacto con una placa intercalada fría (16) .

11. Haz según la reivindicación 10, en el que las uniones termoeléctricas están dispuestas entre dos placas intercaladas frías sucesivas (16) , comprendiendo una unión termoeléctrica dos elementos termoeléctricos (10, 10) montados en sentido inverso y separados por una placa intercalada caliente (15) .

12. Haz según una de las reivindicaciones 7 a 11, en el que las placas intercaladas frías (16) están conectadas eléctricamente en serie unas con las otras.

13. Haz según las reivindicaciones 9 a 12, en el que el haz (3) de intercambio de calor comprende una pluralidad de filas (R1, R2) .

14. Haz según la reivindicación 13, en el que las filas (R1, R2) del haz (3) de intercambio de calor están conectadas eléctricamente en serie unas con las otras.

15. Haz según una de las reivindicaciones 7 a 14, en el que el flujo de gas caliente a enfriar es un flujo de gas de escape de un motor térmico de combustión interna del vehículo automóvil.

16. Intercambiador de calor que comprende un haz de intercambio de calor según una de las reivindicaciones 7 a 15.

 

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