Procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico y componente termoeléctrico.

Un procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico con al menos una pareja de núcleostermoeléctricos que presenta un núcleo n (2) y un núcleo p (3),

en el que ambos núcleos (2, 3) se sueldan con unmaterial de contacto eléctricamente conductivo (4), caracterizado porque el núcleo n (2) y el núcleo p (3) de lapareja de núcleos se sueldan con el material de contacto (4) en pasos de soldadura separados.

Procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico y componente termoeléctrico

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Adicionalmente, la presente invención se refiere a un componente termoeléctrico.

El modo de funcionamiento de un componente termoeléctrico se basa en el efecto termoeléctrico, el cual también se denomina como efecto Seebeck o efecto Peltier. El campo de aplicación de la presente invención es, por lo tanto, la termoeléctrica. Un componente termoeléctrico puede ser utilizado, por una parte, para la generación de energía como generador termoeléctrico y, por otra parte, para la regulación de temperatura como elemento Peltier. Un tercer campo de aplicación para los componentes termoeléctricos son los sensores, por ejemplo los termoelementos y termocolumnas.

En un generador termoeléctrico, a través de una diferencia de temperatura se genera una tensión y, por lo tanto, una corriente eléctrica. A la inversa, en un elemento Peltier, mediante la aplicación de una tensión y por el flujo de corriente resultante se calienta un lado del componente termoeléctrico y se refrigera el otro lado del componente termoeléctrico. Si el componente termoeléctrico se utiliza como sensor de temperatura, un cambio de temperatura se detecta a través de un cambio de la tensión en la salida del componente termoeléctrico.

En la Fig. 1 se muestra la construcción básica de un componente termoeléctrico 1. En principio, el componente termoeléctrico 1 está formado por pares de núcleos termoeléctricos con núcleos n 2 y núcleos p 3. En estos núcleos n y p 2, 3 se trata de materiales conductores n y p, según se utilizan también en otros ámbitos de la técnica de semiconductores. Por medio de un material de contacto eléctricamente conductivo 4, los núcleos n 2 y los núcleos p 3 se contactan de forma mutuamente alternada. Por lo tanto, los núcleos n y p 2, 3 están conectados eléctricamente en serie y conectados térmicamente en paralelo. Los pares de núcleos termoeléctricos, así como el material de contacto eléctricamente conductivo 4, están provistos entre capas de un sustrato eléctricamente aislante 5.

Según se representa esquemáticamente en la Fig. 1, entre el lado superior del componente termoeléctrico 1 y el lado inferior del componente termoeléctrico 1 existe un gradiente de temperatura de "caliente" a "frío". Debido a este gradiente de temperatura, es posible utilizar el componente termoeléctrico 1 como generador termoeléctrico, de tal manera que entre las salidas del componente termoeléctrico exista una tensión. Esto se indica través de los símbolos "menos" y "más" en la Fig. 1.

Por otra parte también es posible, con la misma estructura de la Fig. 1, generar un gradiente de temperatura entre el lado superior y el lado inferior del componente termoeléctrico 1 mediante la aplicación de una tensión externa y la corriente que fluye en el circuito a través del componente termoeléctrico 1. El componente termoeléctrico 1 se utiliza por lo tanto como un elemento Peltier.

Para poner en contacto los pares de núcleos termoeléctricos con el material de contacto eléctricamente conductivo 4 se puede emplear, por ejemplo, procesos de soldadura indirecta o procesos mecánicos.

En la soldadura indirecta se lleva a cabo la aplicación de una pasta de soldadura o de un medio de soldadura líquido, habitualmente mediante el proceso de serigrafía. Alternativamente se puede aplicar un medio de soldadura a través de piezas preformadas de lámina. Otros revestimientos de soldadura se realizan mediante metalización por evaporación, pulverización, proyección de plasma o procedimientos galvánicos.

La desventaja de un contacto mediante procedimiento de soldadura es que el punto de reblandecimiento del medio de soldadura tiene que encontrarse por encima de la temperatura de funcionamiento del componente termoeléctrico. Si el punto de reblandecimiento del medio de soldadura se encuentra por debajo de la temperatura de funcionamiento del componente termoeléctrico, se limitará el alcance de utilidad del componente termoeléctrico, debido a que con temperaturas más altas puede ocurrir un reblandecimiento de las uniones de contacto y por consiguiente la destrucción del componente. Los medios de soldadura para aplicaciones termoeléctricas en el intervalo entre 300 °C y 450 °C no están disponibles.

Además de esto, los medios de soldadura que se pueden utilizar para componentes termoeléctricos a temperaturas de funcionamiento de más de 250 °C presentan otras deficiencias adicionales, tales como fragilidad. Además, debido a la capa de material de soldadura inevitablemente se forma una resistencia eléctrica y térmica adicional, que reduce aún más la eficiencia del componente termoeléctrico.

En los procedimientos de unión mecánicos, por ejemplo la sinterización de trenzados eléctricamente conductivos en el material termoeléctrico o el prensado de contactos eléctricos en el material termoeléctrico, el costo de la fabricación de los componentes termoeléctricos es una desventaja. Además, los contactos mecánicamente prensados presentan propiedades eléctricas y térmicas deficientes, por lo cual se reduce la eficiencia de tales componentes termoeléctricos.

Un componente termoeléctrico genérico se conoce del documento WO 2007/002337 A2, presentando por lo menos un par de núcleos termoeléctricos que tiene un núcleo n y un núcleo p y que está soldado con al menos un material de contacto eléctricamente conductivo.

El objetivo de la presente invención es especificar un procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico mediante el cual los núcleos pueden ser puestos en contacto de forma económica y fiable con el material termoeléctricamente conductivo así como un componente termoeléctrico eficiente.

De acuerdo con la presente invención, dicho objetivo se resuelve a través de un procedimiento con las características mencionadas en la reivindicación 1.

Aquí se presenta una reacción físico-química dependiente de los parámetros de soldadura y de los materiales, en donde el material de contacto o una capa que se encuentra aplicada sobre el mismo, respectivamente, se une con el material del núcleo o con una capa de reacción ubicada sobre el mismo, respectivamente.

Además de la fácil capacidad de automatización del procedimiento entero, de esta manera es posible optimizar los procesos de soldadura, las herramientas de soldadura y los parámetros de soldadura para las respectivas propiedades de los núcleos y el material de contacto eléctricamente conductivo a ser contactado. Debido a la corta duración de la carga térmica que ocurre durante la soldadura de los núcleos individuales, no se produce ningún cambio en las propiedades termoeléctricas de los materiales de los núcleos. En particular, no ocurre ninguna evaporación del material ni oxidación.

Preferiblemente, los parámetros de soldadura para soldar el núcleo n y los parámetros de soldadura para soldar el núcleo p se ajustan de forma independiente entre sí. De esta manera es posible que para cada material de núcleo a ser soldado, o para cada pareja de materiales de material de núcleo y material de contacto a ser soldados, se puede seleccionar ajustes de parámetros óptimos para el procedimiento de soldadura, por ejemplo el flujo de corriente y/o el tiempo de parada y/o la corriente preliminar y/o el tiempo de precalentamiento y/o la presión de prensado.

De acuerdo con un ejemplo de realización preferido, los núcleos presentan al menos en uno de sus extremos en la dirección longitudinal superficies de contacto, las cuales se ponen en contacto con el material de contacto, y la soldadura del núcleo n y/o la soldadura del núcleo p se produce en la superficie de contacto y/o lateralmente con respecto a la superficie de contacto del respectivo núcleo. De esta manera se obtiene una superficie de contacto máxima posible entre el material de contacto eléctricamente conductivo y las superficies de contacto de los respectivos núcleos, lo cual conlleva a una reducida resistencia de contacto del componente termoeléctrico.

De acuerdo con otro ejemplo de realización preferido, antes y/o durante el respectivo paso de soldadura el material de contacto es prensado sobre el núcleo a ser soldado mediante por lo menos un... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la fabricación de un componente termoeléctrico con al menos una pareja de núcleos termoeléctricos que presenta un núcleo n (2) y un núcleo p (3) , en el que ambos núcleos (2, 3) se sueldan con un material de contacto eléctricamente conductivo (4) , caracterizado porque el núcleo n (2) y el núcleo p (3) de la pareja de núcleos se sueldan con el material de contacto (4) en pasos de soldadura separados.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los parámetros de soldadura para soldar el núcleo n (2) y los parámetros de soldadura para soldar el núcleo p (3) se ajustan de manera independiente entre sí, y porque la soldadura se lleva a cabo en particular en un vacío o en una atmósfera gaseosa protectora

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los núcleos (2, 3) por lo menos en uno de sus extremos en la dirección longitudinal (L) presentan superficies de contacto, las cuales se ponen en contacto con el material de contacto (4) , y la soldadura del núcleo n (2) y/o la soldadura del núcleo p (3) se lleva a cabo sobre la superficie de contacto y/o lateralmente con respecto a la superficie de contacto del respectivo núcleo (2, 3) , y/o la soldadura del núcleo n (2) y/o la soldadura del núcleo p (3) se lleva a cabo sobre la superficie de contacto entera del respectivo núcleo (2, 3) .

4. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el material de contacto (4) está formado por varias capas de materiales preferiblemente diferentes, los cuales se unen entre sí y/o con el respectivo núcleo (2, 3) en uno o varios pasos de soldadura.

5. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el material de contacto (4) o una capa ubicada sobre el mismo reacciona de forma físico-química con el material del núcleo p

(3) y/o con una capa de reacción ubicada encima, y/o de forma físico-química con el material del núcleo n (2) y/o con una capa de reacción ubicada encima, y la capa de reacción está formada por al menos uno de los elementos Ta, W, Mo, Nb, Ti, Cr, Pd, V, Pt, Rh, Re, Cu, Ag, Ni, Fe, Co, Al, In, Sn, Pb, Te, Sb, Bi, Se, S, Au, Zn, Si o Ge, bien sea solos o en combinación con otro elemento.

6. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque antes y/o durante el respectivo paso de soldadura el material de contacto (4) es prensado sobre el núcleo a ser soldado (2, 3) , y/o porque antes y/o durante el respectivo paso de soldadura el material de contacto (4) es prensado por al menos un electrodo de soldadura sobre el núcleo a ser soldado (2, 3) .

7. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el núcleo n

(2) y el núcleo p (3) de la pareja de núcleos se sueldan con el material de contacto (4) separadamente mediante soldadura eléctrica por resistencia, y/o el núcleo n (2) y el núcleo p (3) de la pareja de núcleos se sueldan con el material de contacto (4) mediante soldadura capilar.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque en la soldadura capilar el material de contacto (4) se pone en contacto con el correspondiente núcleo (2, 3) , y porque el intersticio (BE) de un electrodo de intersticio capilar (14) que entra en contacto con el material de contacto (4) se ajusta de forma correspondiente a una anchura (B2, B3) del núcleo a ser soldado (2, 3) , y/o el material de contacto (4) se pone en contacto con el correspondiente núcleo (2, 3) y el intersticio (BE) de un electrodo de intersticio capilar (14) que entra en contacto con el material de contacto (4) se ajusta con una anchura mayor que la anchura (B2, B3) del núcleo a ser soldado (2, 3) .

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el material de contacto (4) encierra un extremo del núcleo a ser soldado (2, 3) al menos parcialmente en una dirección radial (R) del núcleo (2, 3) y el electrodo de intersticio capilar (14) hacen contacto con el material de contacto (4) en la dirección radial (R) del núcleo a ser soldado (2, 3) y/o el electrodo de intersticio capilar (14) contacta al material de contacto (4) en la dirección longitudinal (L) del núcleo a ser soldado (2, 3) .

10. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el núcleo n

(2) y/o el núcleo p (3) de la pareja de núcleos se suelda (n) con el material de contacto (4) mediante soldadura en una atmósfera gaseosa protectora, preferiblemente mediante soldadura por arco en atmósfera inerte con electrodo fusible, soldadura por arco en atmósfera inerte con electrodo de wolframio, soldadura en atmósfera activa con electrodo fusible, soldadura con chorro de plasma y arco transferido o soldadura por arco de hidrógeno, o porque el núcleo n (2) y/o el núcleo p (3) de la pareja de núcleos se sueldan (n) con el material de contacto (4) mediante soldadura por láser, en el que preferiblemente los núcleos a ser soldados (2, 3) y/o el material de contacto (4) se precalientan antes de la soldadura.

11. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el componente termoeléctrico presenta varias parejas de núcleos, en el que de una selección de parejas de núcleos primero se sueldan los núcleos n (2) y a continuación los correspondientes núcleos p (3) con el material de contacto (4) , y/o porque el componente termoeléctrico presenta varias parejas de núcleos, en el que de una selección de parejas de núcleos primero se sueldan los núcleos p (3) y a continuación los correspondientes núcleos n (2) con el material de contacto (4) , y/o porque el componente termoeléctrico presenta varias parejas de núcleos, y todos los núcleos n (2) se sueldan simultáneamente con el material de contacto (4) , y/o porque el componente termoeléctrico

presenta varias parejas de núcleos, y todos los núcleos p (3) se sueldan simultáneamente con el material de contacto (4) .

12. Un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque los núcleos n y p (2, 3) de una pareja de núcleos en un lado del componente termoeléctrico se unen entre sí eléctricamente por medio del material de contacto (4) , y porque en el lado opuesto del componente termoeléctrico el núcleo n (2) de la pareja de núcleos previamente mencionada se une eléctricamente con otro núcleo p adyacente y el núcleo p (3) de la pareja de núcleos previamente mencionada se une eléctricamente con otro núcleo n adyacente.

13. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque todos los núcleos n (2) de un lado se sueldan simultáneamente con el material de contacto (4) y/o todos los núcleos p (3) de un lado se sueldan simultáneamente con el material de contacto (4) , o todos los núcleos n y p (2, 3) se sueldan por separado, pero simultáneamente, con el material de contacto (4) .

14. Un componente termoeléctrico, fabricado mediante un procedimiento de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 13, con al menos una pareja de núcleos termoeléctricos que presenta un núcleo n (2) y un núcleo p (3) , y que está soldado con al menos un material de contacto eléctricamente conductivo (4) , caracterizado porque el material de contacto eléctricamente conductivo (4) encierra un extremo del núcleo soldado (2, 3) por lo menos parcialmente en la dirección radial (R) del mismo y/o porque el material de contacto eléctricamente conductivo (4) está soldado en la dirección longitudinal (L) del núcleo soldado (2, 3) con una superficie de contacto del mismo.

15. Un componente termoeléctrico de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los núcleos (2, 3) presentan dimensiones diferentes.

16. Un componente termoeléctrico de acuerdo con la reivindicación 14 o 15, caracterizado porque el material de contacto (4) está formado por varias capas de materiales preferiblemente diferentes, las cuales están unidas entre sí y/o con el respectivo núcleo (2, 3) , y/o porque el material de contacto (4) presenta varias capas de láminas preferiblemente revestidas, en particular el material de contacto eléctricamente conductivo (4) está revestido con un material eléctricamente conductivo.

17. Un componente termoeléctrico de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 14 a 20, caracterizado porque el material de contacto (4) presenta una tira compuesta de al menos uno de los elementos Ta, W, Mo, Nb, Ti, Cr, Pd, V, Pt, Rh, Re, Cu, Ag, Ni, Fe, Co, Al, In, Sn, Pb, Te, Sb, Bi, Se, S, Au, Zn, Si o Ge, bien sea solos o en combinación con uno o varios otros elementos, y/o está revestido con uno de los elementos Ta, W, Mo, Nb, Ti, Cr, Pd, V, Pt, Rh, Re, Cu, Ag, Ni, Fe, Co, Al, In, Sn, Pb, Te, Sb, Bi, Se, S, Au, Zn, Si o Ge, bien sea solos o en combinación con uno o varios otros elementos.

18. Un componente termoeléctrico de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque los distintos núcleos (2, 3) están unidos a través del material de contacto (4) eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, y/o porque el componente termoeléctrico presenta varias parejas de núcleos cuyos núcleos (2, 3) están unidos a través del material de contacto (4) eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.

19. Un componente termoeléctrico de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 14 a 18, caracterizado porque los núcleos n y p (2, 3) de una pareja de núcleos en un lado del componente termoeléctrico están unidos eléctricamente entre sí a través del material de contacto (4) , y porque en el lado opuesto del componente termoeléctrico el núcleo n (2) de la pareja de núcleos previamente mencionada está unido eléctricamente con otro núcleo p adyacente y el núcleo p (3) de la pareja de núcleos previamente mencionada está unido eléctricamente con otro núcleo n adyacente, y/o porque los núcleos (2, 3) en un lado o en ambos lados del componente termoeléctrico están soldados con el material de contacto (4) , y/o entre núcleos adyacentes (2, 3) se encuentra practicada una estabilización mecánica (13) , presentando preferiblemente al menos uno de los núcleos (2, 3) un material basado en calcogenuro.

20. Un componente termoeléctrico de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 14 a 19, caracterizado porque al menos uno de los núcleos (2, 3) en uno o en ambos extremos o superficies de contacto presenta al menos una capa adicional como barrera de difusión (10) y/o capa de adherencia (11) y/o para la reducción de la resistencia de transición (9) hacia el material de contacto (4) , y/o porque el material de contacto (4) presenta por lo menos una capa adicional como barrera de difusión (6, 8) y/o como capa de adherencia y/o para la reducción de la resistencia de transición hacia el respectivo núcleo (2, 3) , y siendo el componente termoeléctrico preferiblemente mecánicamente flexible.

21. Un componente termoeléctrico de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 14 a 20, caracterizado porque el componente termoeléctrico es un generador termoeléctrico o un elemento Peltier o un elemento sensor.