DE112017001489T5

DE112017001489T5 - Verteilte Thermoelektrik mit nicht gleichmäßiger Wärmeübertragungscharakteristik

Info

Publication number: DE112017001489T5
Application number: DE112017001489.1T
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Spillner
Original assignee: Gentherm Inc
Current assignee: Gentherm Inc
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-12-20
Also published as: CN109314172A; KR20180112832A; JP2019513303A; WO2017165486A1; US20190088847A1

Abstract

Eine thermoelektrische Anordnung weist eine thermoelektrische Vorrichtung auf, die variierende Verteilungen von p-n-Quadern in einer Ebenenrichtung hat, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung vorzusehen. Die thermoelektrische Vorrichtung hat einen ersten Satz p-n-Quader, die in einer ersten Packungsdichte in einem ersten Bereich angeordnet sind. Ein zweiter Satz von p-n-Quadern ist in einer zweiten Packungsdichte in einem zweiten Bereich angeordnet, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nummer 62/311,467 , die am 22. März 2016 eingereicht wurde und auf deren Offenbarungsgehalt hiermit Bezug genommen wird.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das leitfähige Kühlen von Oberflächen, wie zum Beispiel Sitzbezügen, das thermische Management von Batterien oder Elektronik, zum Beispiel unter der Verwendung verteilter Thermoelektrik.
Beheizte und gekühlte Sitze werden in Automobilanwendungen immer häufiger. Eine Möglichkeit besteht darin, einen flexiblen Kanal zu verwenden, der auf einen Formschaumblock montiert ist, der das Sitzpolster oder die Rückenlehne bildet. Konditionierte Luft wird durch den Kanal geblasen. Ein Gewebestoff wird voni dem flexiblen Kanal getragen, und ein perforierter Schmuckbezug ist um den Schaum geschlagen. Luft wird durch Öffnungen in dem flexiblen Kanal gepumpt und gelangt durch Perforationen in dem Bezug zum thermischen Regulieren der Sitzfläche. Bezüge mit Perforationen können unerwünscht sein. Zusätzlich treten bei der oben genannten Möglichkeit thermische Verluste auf.
Eine weitere Möglichkeit zum thermischen Konditionieren eines Sitzes verwendet eine einzige, große thermoelektrische Vorrichtung (TED), mit gleichmäßig beabstandeten p-n-Quadern, die eine gleichmäßige Quader-Packungsdichte in der Ebenenrichtung bereitstellt. Dies kann zu einer erhöhten Anzahl von Quadern oder insgesamt zu einer niedrigen Leistungsdichte führen, als für Teile der Sitzfläche gewünscht ist. Wenn mehr als eine benötigte Anzahl von Quadern für die Anwendung verwendet werden, werden unnötige elektrische Verbindungen verwendet, wird die Anzahl der Teile größer und wird eine Anordnung vorgesehen, die unnötig komplex ist. Die unbeabsichtigten Folgen einer TED mit gleichförmiger Quader-Packungsdichte können eine verringerte Zuverlässigkeit, erhöhte Kosten und ein verringerter Wirkungsgrad sein.
Zusammenfassung
In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine thermoelektrische Anordnung eine thermoelektrische Vorrichtung auf, die eine variierende Verteilung von p-n-Quadern in einer Ebenenrichtung hat, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung vorzusehen. Die thermoelektrische Vorrichtung weist einen ersten Satz von p-n-Quadern auf, die in einem ersten Bereich in einer ersten Packungsdichte angeordnet sind. Ein zweiter Satz von p-n-Quadern ist in einer zweiten Packungsdichte in einem zweiten Bereich angeordnet, wobei diese Packungsdichte sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden sind der erste und der zweite Satz von p-n-Quadern mit Brückenverbindungen in derselben Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat elektrisch miteinander verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist die Schaltung mindestens einige p-n-Quader auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist die Schaltung mindestens einige p-n-Quader auf, die miteinander parallelgeschaltet sind.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist die thermoelektrische Vorrichtung eine Isolierschicht zwischen den Brückenverbindungen und dem Substrat in einer Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist die thermoelektrische Vorrichtung eine Isolierschicht zwischen den Brückenverbindungen in der Ebenenrichtung auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden stellt die Isolierschicht das Substrat bereit.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden ist das Substrat zwischen p-n-Quadern in der Ebenenrichtung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden sind die Brückenverbindungen zwischen den p-n-Quadern in der Ebenenrichtung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden ist mindestens das Substrat flexibel und dazu konfiguriert, es den p-n-Quadern zu ermöglichen, sich relativ zueinander senkrecht zur Ebenenrichtung zu bewegen.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist die thermoelektrische Vorrichtung einen Abstandhalter auf, der sich senkrecht zur Ebenenrichtung erstreckt und eine Steifigkeit hat, die größer oder gleich einer Quader-Steifigkeit der p-n-Quader ist. Der Abstandhalter ist dazu konfiguriert, einen unerwünschten Quader-Kompressionszustand zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden sind die Brückenverbindungen in einem vorbestimmten Gitter angeordnet. Der erste und der zweite Satz von p-n-Quadern sind auf dem vorbestimmten Gitter angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weisen die Brückenverbindungen eine gemeinsame Länge auf. Die Brückenverbindungen gemeinsamer Länge verbinden den ersten und den zweiten Satz von p-n-Quadern elektrisch miteinander.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weisen die Brückenverbindungen eine voneinander unterschiedliche Länge auf. Die Brückenverbindungen unterschiedlicher Länge verbinden den ersten und den zweiten Satz von p-n-Quadern elektrisch miteinander.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weisen die Brückenverbindungen Vorderseiten- und Rückseiten-Brückenverbindungen auf. Ein Schmuckbezug ist anliegend an die Vorderseiten-Brückenverbindung angeordnet. Ein Fluidkanal ist anliegend an die Rückseiten-Brückenverbindung angeordnet. Ein Gebläse ist in Fluidkommunikation mit dem Fluidkanal und ist dazu konfiguriert, Fluid durch den Fluidkanal zu blasen, um einen Wärmestrom zwischen dem Fluid und der Rückseiten-Brückenverbindung zu schaffen. Die thermoelektrische Vorrichtung ist dazu konfiguriert, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung des Schmuckbezugs vorzusehen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist ein Verfahren zum Konstruieren einer thermoelektrischen Anordnung den Schritt des Modellierens eines thermodynamischen Systems auf, das eine modellierte Temperaturverteilung auf einer Oberfläche eines Gegenstands aufweist. Ein modellierter Wärmestrom von der Oberfläche durch eine modellierte thermoelektrische Anordnung, die p-n-Quader aufweist, an eine Umgebung ist vorhanden. Eine thermoelektrische Anordnung wird auf Basis der modellierten Temperaturverteilung, des modellierten Wärmestroms und der modellierten thermoelektrischen Anordnung erstellt, um eine erste Packungsdichte von p-n-Quadern in einem ersten Bereich vorzusehen. Eine zweite Packungsdichte von p-n-Quadern in einen zweiten Bereich ist vorgesehen, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet, um eine variierende Verteilung von p-n-Quadern in einer Ebenenrichtung vorzusehen, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung vorzusehen.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist der Modellierungsschritt eine modellierte Druckverteilung auf der modellierten thermoelektrischen Anordnung auf. Die erste und die zweite Dichte basieren auf der modellierten Druckverteilung, um auf den p-n-Quadern eine unerwünschte Belastung zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist der Modellierungsschritt ein Bestimmen der kürzesten elektrischen Verbindungen zwischen den p-n-Quadern auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden weist der Modellierungsschritt ein Bestimmen von elektrischen Reihen- und Parallel-Verbindungen zwischen den p-n-Quadern auf.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem Vorhergehenden ist die thermoelektrische Anordnung dazu gebaut, die erste und die zweite Dichte so anzuordnen, dass dadurch mindestens entweder die modellierte Temperaturverteilung oder der modellierte Wärmestrom über die Oberfläche hinweg ausgeglichen werden.
Figurenliste
Die Offenbarung kann unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines thermodynamischen Systems;
2 eine Explosionsdarstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung und beispielhafter anliegender Schichten;
3 eine Draufsicht auf einen Teil einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung mit einer verteilten Architektur;
4A eine Schnittdarstellung der thermoelektrischen Vorrichtung durch p-n-Quader in Ebenenrichtung;
4B eine Draufsicht auf die in 4A dargestellte thermoelektrische Vorrichtung;
4C eine Ansicht der in 4A dargestellten thermoelektrischen Vorrichtung von unten;
5 ein Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
6 ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
7 noch ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
8 noch ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
9 ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
10 noch ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
11 noch ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration von Komponenten einer thermoelektrischen Vorrichtung;
12A eine schematische Darstellung einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung mit p-n-Quadern, die eine variierende Packungsdichte in Ebenenrichtung aufweisen, und mit elektrischen Verbindungen unterschiedlicher Länge zwischen den Quadern;
12B eine Draufsicht auf die in 12A dargestellte thermoelektrische Vorrichtung;
12C eine Ansicht der in 12A dargestellten thermoelektrischen Vorrichtung von unten;
13 eine schematische Darstellung einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung mit p-n-Quadern, die eine variierende Packungsdichte in Ebenenrichtung haben, und mit gleich langen elektrischen Verbindungen zwischen den Quadern;
14 eine schematische Darstellung der in 13 dargestellten thermoelektrischen Vorrichtung mit Abstandhaltern, um eine unerwünschte Kompression der thermoelektrischen Vorrichtung zu begrenzen;
15 eine schematische Darstellung einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung mit einem vordefinierten Gitter, das für die p-n-Quader elektrische Verbindungen vorsieht; und
16 eine schematische Darstellung einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung mit elektrischen Reihen- und Parallel-Verbindungen zwischen Quadern verschiedener Größe.

Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Ansprüche oder der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen, einschließlich Beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder entsprechenden einzelnen Merkmale können unabhängig oder in einer beliebigen Kombination verstanden werden. Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, wenn derartige Merkmale nicht inkompatibel sind.
Detaillierte Beschreibung
Ein thermodynamisches System 10 ist in höchst schematischer Weise in 1 dargestellt. Eine thermoelektrische Vorrichtung (TED) 12 ist zwischen einer Vorderseiten- und einer Rückseiten-Grenzfläche 18, 20 angeordnet. Die Vorderseiten-Grenzfläche 18 stützt direkt oder indirekt einen Gegenstand 14 auf einer Oberfläche 22 ab, und die Rückseiten-Grenzfläche grenzt an eine Umgebung 16. Bei dem Gegenstand 14 kann es sich zum Beispiel um Elektronik, eine Batterie, eine sitzende Person oder eine Umgebung handeln. Wenn zum Beispiel elektrischer Strom an die TED 12 angelegt wird, wirkt die TED 12 wie eine Wärmepumpe, um einen Wärmestrom zu erzeugen, der von dem Gegenstand 14 zur Umgebung 16 strömt, um den Gegenstand 14 zum Beispiel zu kühlen. In einer weiteren Ausführungsform kann die thermoelektrische Vorrichtung 12 anders ausgerichtet sein, um die Richtung des Wärmestroms umzukehren, um den Gegenstand 14 zu beheizen, anstatt ihn zu kühlen. In einer weiteren Ausführungsform kann die TED 12 als eine passive Anordnung konfiguriert sein, bei der ein Wärmestrom senkrecht zur Ebenenrichtung in der TED 12 einen Strom induziert, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Entweder die Vorderseiten-Grenzfläche 18 oder die Rückseiten-Grenzfläche 20 oder beide können eine oder mehrere Schichten beinhalten. In einem in 2 dargestellten Beispiel weist die Vorderseiten- und/oder die Rückseiten-Grenzfläche 18, 20 eine gemeinsame Schicht 19 und eine Wärmetauscherschicht 21 auf, auch wenn diese Schichten weggelassen werden können, wenn das gewünscht wird. Die gemeinsame Schicht 19 kann mindestens eines aus einem Wärmeleitpad, Kleber, Load, Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitfolie sein, die dazu verwendet wird, im Gebrauch die TED 12 an der Wärmetauscherschicht 21 zu befestigen. Die Wärmetauscherschicht 21 kann mindestens eine aus einem Wärmeverteiler, Wärmetauscher, Kühlrippen, Chassis, Gehäuse, Kanal und/oder Fluid, wie zum Beispiel Kühlmittel, Abgas, Luft oder Plasma sein. Die Schichten 19, 21 können dazu verwendet werden, eine Wärmeübertragung zu erzeugen oder zu stoppen und/oder eine Wärmeübertragung über eine erfasste Temperatur und/oder Temperaturdifferenz zu erfassen.
Eine typische TED hat eine gleiche Beabstandung von p-n-Quadern, wodurch in der Ebenenrichtung eine gleichmäßige Quader-Packungsdichte erreicht wird. Die p-n-Quader erzeugen einen Wärmestrom, wenn mittels einer Stromquelle ein elektrischer Strom angelegt wird. Dabei werden nicht mehrere diskrete handelsübliche TED in dem thermoelektrischen System 10 vorgesehen, sondern wird je nach der Anwendung mindestens eine große TED 12, die in der Ebenenrichtung eine variierende p-n-Quader-Verteilung hat, vorgesehen, wobei unter der Verwendung eines offenbarten Konstruktionsprozesses die Variablen berücksichtigt werden, die jedes Element der TED 12 betreffen. Wie zum Beispiel in 3 gezeigt ist, weist die TED 12 einen ersten Satz 30 von p-n-Quadern 24 auf, die in einer ersten Packungsdichte in einem ersten Bereich angeordnet sind, und einen zweiten Satz 32 von p-n-Quadern 24, die in einer zweiten Packungsdichte in einem zweiten Bereich angeordnet sind, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet. Natürlich sind die beiden gezeigten Bereiche beispielhaft und es können auch mehrere Bereiche und/oder anders konfigurierte Bereiche verwendet werden. Darüber hinaus werden auch getrennte Bereiche mit identischer Quader-Packungsdichte durch die offenbarte erste und die zweite Packungsdichte in Betracht gezogen. Auf diese Weise kann der Wärmestrom eines bestimmten Systems modelliert werden, um die gewünschte p-n-Quaderanordnung in derselben Schaltung 34 auf einem gemeinsamen Substrat 26 unter der Verwendung verschiedener Konstruktionseinschränkungen zu bestimmen.
Die 4A bis 4C veranschaulichen einen Typ einer TED-Konstruktion. Die p-n-Quader 24 erstrecken sich zwischen Substraten 26 in der Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung. Brückenverbindungen 28 sind auf der Vorderseite (zum Beispiel 4B) und der Rückseite (zum Beispiel 4C) vorgesehen, um die p-n-Quader 28 in einem Schaltkreis elektrisch zu verbinden. Die p-n-Quader 24 sind in den 4A bis 4C der Einfachheit halber so gezeigt, dass sie gleichmäßig verteilt sind, auch wenn bei der offenbarten TED 12 mindestens einen Teil der p-n-Quader nicht gleichmäßig verteilt ist, wie das in den 3 und 12A bis 16 gezeigt ist.
In dem Beispiel einer Sitzanwendung gibt es bei den Brückenverbindungen Vorderseiten- und Rückseiten-Brückenverbindungen, bei denen anliegend an die Vorderseiten-Brückenverbindung ein Schmuckbezug angeordnet ist. Ein Fluidkanal ist anliegend an die Rückseiten-Brückenverbindung angeordnet, und ein Gebläse in Fluidkommunikation mit dem Fluidkanal und dazu konfiguriert, ein Fluid durch den Fluidkanal zu blasen, um einen Wärmestrom zwischen dem Fluid und der Rückseiten-Brückenverbindung vorzusehen. Die offenbarte TED ist dazu konfiguriert, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung des Schmuckbezugs vorzusehen.
Die offenbarte TED kann unter Einsatz verschiedener Konfigurationen je nach der Anwendung und der gewünschten Leistung und Funktionalität aufgebaut werden. Einige Beispielkonstruktionen sind in den 5 bis 11 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 5 ist eine elektrische Isolierschicht 36 anliegend an die Brückenverbindungen 28 angeordnet und wird von dem Substrat 26 in der Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung getragen. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel beinhaltet die TED 112 die Isolierschicht 136 anliegend an die Brückenverbindungen 28, und das Substrat 26 ist zwischen den p-n-Quadern 24 in der Ebenenrichtung vorgesehen. Bei den beispielhaften TED 212, 312, die in den 7 und 8 gezeigt sind, sind die Brückenverbindungen 28 zwischen den p-n-Quadern 24 in der Ebenenrichtung angeordnet. Das Substrat 26 kann diskret und voneinander isoliert sein, wie in 8 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf die TED 412, die in 9 gezeigt ist, kann die Isolierschicht 136 auch das Substrat bereitstellen und kann zwischen den Brückenverbindungen 28 in der Ebenenrichtung angeordnet sein, wie auch in 6 gezeigt ist. Eine flexible TED 512 kann vorgesehen sein, wie in 10 gezeigt ist, unter der Verwendung mindestens eines flexiblen Substrats 126, einer Brückenverbindung 128 und einer Isolierschicht 236, die es den p-n-Quadern 24 erlaubt, sich relativ zueinander in einer Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung zu bewegen. Unter Bezugnahme auf 11 deckt die Isolierschicht 336 die Brückenverbindungen 28 in der Ebenenrichtung und senkrecht zur Ebenenrichtung ohne ein Substrat ab, wodurch eine flexiblere TED 612 entsteht.
Da benachbarte p-n-Quader in unterschiedlichen unregelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, um die p-n-Quader in einer besseren Position für die bestimmte Anwendung anzuordnen, kann es im Gegensatz zu typischen TED sein, dass eine elektrische Verbindung der p-n-Quader schwieriger wird. Eine in den 12A bis 12C dargestellte Möglichkeit verwendet Brückenverbindungen 228, 328, 428 verschiedener Längen basierend auf der gewünschten Position der p-n-Quader 24 für die TED 712. Herstellungsprozesse, wie zum Beispiel Metallabscheidung, Drucken, Ätzen oder Fräsen können zum Beispiel die Schwierigkeit des Einsatzes verschiedener parallel Verbindungslängen in der Montage lösen und auch die Verwendung unterschiedlich geformter Brückenverbindungen ermöglichen, die zur Verwendung um Ausschnitte oder Schrauben herum gewünscht sein können. Weil die Verwendung verteilter Quader in unerwünschter Weise eine größere Anzahl von Brückenverbindungslängen nötig machen kann, kann eine gemeinsame Brückenverbindungslänge verwendet werden, um die p-n-Quader 24 zu verbinden, wodurch es nötig werden kann, dass die p-n-Quader geringfügig von ihrer gewünschten Position für die TED 812 verschoben werden, um dieselben Brückenverbindungen 328 für die verschiedenen elektrischen Verbindungen unterzubringen, wie in 13 gezeigt ist. Ein Vorrat von Brückenverbindungen unterschiedlicher fester Längen kann gewählt werden, um die Verbindungen herzustellen. Weil die Beabstandung der p-n-Quader in der Ebenenrichtung unterschiedlich sein kann, kann der Außenrand der TED leichter in einer beliebigen Form und nach Kundenwunsch, auf Basis eines dabei entstehenden unregelmäßig geformten äußeren Umfangs der p-n-Quader und nicht der typische rechtwinklige TED-Außenrand hergestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 14 weist die TED einen Abstandhalter 38 auf, der sich in der Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung erstreckt und eine Steifigkeit aufweist, die beträchtlich größer als eine Quader-Steifigkeit, oder der E-Modul, der p-n-Quader 24 ist. Der Abstandhalter 38 ist dazu konfiguriert, einen unerwünschten Quader-Kompressionszustand zu verhindern, der von einer mechanischen Überlastung der TED resultieren kann. Eine aktive und/oder passive Elektronik, wie zum Beispiel Widerstände, Verstärker, Sensoren und/oder LEDs können in die TED integriert werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Vorsehen der elektrischen Verbindungen zwischen p-n-Quadern 24 besteht darin, ein vorbestimmtes Gitter 40 von Brückenverbindungen, zum Beispiel erste und zweite Gitterabstände 42, 44 (zum Beispiel rechtwinklig) vorzusehen, die verschiedene mögliche Verbindungsorte innerhalb der TED 912 bieten. Dasselbe vorbestimmte Gitter 40 kann genügend Variabilität bieten, sodass die Gitter zur Konstruktion verschiedener TEDs mit unterschiedlicher Anordnung der p-n-Quader verwendet werden können.
Wie in 16 gezeigt, kann die Schaltung 34 mindestens einige p-n-Quader 24 aufweisen, die in Reihe 46 oder parallel 48 miteinander verbunden sind. Eine Verbindung der Quader in Parallelschaltung verhindert die Wahrscheinlichkeit eines Totalausfalls und kann auch den elektrischen Widerstand der TED verringern oder einen spezifischen Spannungs-/Strombereich einstellen, was Auswirkungen auf die Wirksamkeit und den Wirkungsgrad hat.
Unterschiedlich große p-n-Quader 128 können auch in der TED 1012 verwendet werden. Die Größe der Quader wirkt sich auf den elektrischen und den thermischen Widerstand der Quader aus, beeinflusst den Wirkungsgrad und andere thermoelektrische Merkmale.
Die oben genannten TED-Konfigurationen bieten Konstruktionstechniken, die dazu verwendet werden können, eine TED mit einer variablen Ebenenrichtungs-Verteilung von p-n-Quadern zu bauen, um gezielt unregelmäßige thermische Grenzflächenbedingungen zu schaffen, die für die vorbestimmte Anwendung angepasst sind. Die offenbarte thermoelektrische Anordnung kann durch ein Verfahren konstruiert werden, dass verschiedene Konstruktionsfaktoren und Systemcharakteristiken berücksichtigt.
Ziel-Systemcharakteristiken werden identifiziert oder definiert und ihre Verteilung in der Ebene oder im Raum auf der Oberfläche 22 wird bestimmt (1), zum Beispiel Temperatur und Wärmestrom auf einem Batteriegehäuse. Die Ziel-Systemcharakteristiken und ihre Verteilung in der Ebene oder im Raum auf mindestens der Umgebung 16 (1) wird bestimmt, zum Beispiel die Temperatur von Kühlwasser entlang der Strömungsrichtung in einem Wärmetauscher. Grenzflächenbedingungen zwischen den verschiedenen Komponenten des Systemstapels (1 und 2) werden bestimmt, zum Beispiel Druckverteilung auf einer thermischen Matte, die zu einer nicht gleichmäßigen thermischen Leitfähigkeit führt.
Ein Konstruktionsverfahren zum Aufbauen einer thermoelektrischen Anordnung weist auf: Modellieren eines thermodynamischen Systems, das eine modellierte Temperaturverteilung auf einer Oberfläche eines Gegenstandes hat, und ein modellierter Wärmestrom oder Temperatur ausgehend von der Oberfläche durch eine modellierte thermoelektrische Anordnung, die p-n-Quader aufweist, an eine Umgebung. Der Wärmestrom oder die Temperatur des Systems kann in X-, Y-, Z-Koordinaten in einem Modell der finiten Elemente modelliert werden, wobei die thermische Leitfähigkeit der Materialien, Wärmeübertragungskoeffizienten und andere Systemcharakteristiken berücksichtigt werden. Der durch die p-n-Quader bereitgestellte Peltier-Effekt, der thermische Widerstand, parasitäre Verluste und andere TED-Charakteristiken können ebenfalls berücksichtigt werden. Der Modellierungsschritt kann eine modellierte Druckverteilung auf der modellierten thermoelektrischen Anordnung beinhalten, wobei die erste und die zweite Packungsdichte auf der modellierten Druckverteilung basieren, um eine unerwünschte Last auf den p-n-Quadern zu vermeiden.
Eine Lösung der Quaderverteilung und des Pfads ihrer Verbindungen wird bestimmt, die definierte Optimierungskriterien erfüllt, von einer heuristischen Ein-Schritt-Lösung zu einer rekursiven transienten Simulation. Die thermoelektrische Vorrichtung wird auf Basis der modellierten Temperaturverteilung, des modellierten Wärmestroms und der modellierten thermoelektrischen Anordnung aufgebaut, um die erste Packungsdichte von p-n-Quadern in dem ersten Bereich und die zweite Packungsdichte von p-n-Quadern in dem zweiten Bereich vorzusehen, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet, wodurch eine variierende Verteilung von p-n-Quadern in einer Ebenenrichtung vorgesehen wird, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung der Quader/der TED vorzusehen; eine thermische Konditionierung des Ziels (z. B. Zwischen der Oberfläche und dem Gegenstand) kann jedoch konstruktionsbedingt ungleichmäßig oder gleichmäßig sein. Zum Beispiel kann die thermoelektrische Vorrichtung dazu gebaut werden, dass die erste und die zweite Packungsdichte so angeordnet wird, dass mindestens eines aus der modellierten Temperaturverteilung und dem modellierten Wärmestrom über die Oberfläche oder Teile der Oberfläche ausgeglichen wird.
Die Charakteristiken dieser Schritte werden gemäß ihrer Verteilung in der Ebene oder im Raum angeglichen, um eine Auflösung pro Punkt (Fläche, Volumen) von Wärmeübertragungs-Grenzflächencharakteristiken oder Anforderungen zu ergeben. Die Grenzflächenbedingungen und Einschränkungen werden für eine Optimierung vorgesehen basierend auf verschiedenen Zielen, so zum Beispiel ein maximaler Leistungskoeffizient (COP), verfügbare Fläche, Punkte zur Strom-Ein- bzw. -Ausleitung, minimaler Abstand von Quader zu Quader. Andere Faktoren können die Bestimmung der kürzesten elektrischen Verbindungen zwischen den p-n-Quadern oder die Bestimmung elektrischer Reihen- und Parallel-Verbindungen zwischen den p-n-Quadern beinhalten.
Die Konstruktionskriterien und die Lösung können mehrere, verschiedene, auch gegenläufige Ziele, multidimensionale oder Fuzzy-Variablen beinhalten und können mehrere lokale Optima erlauben. Optimierungs- und Näherungsalgorithmen zusammen mit Gewichtsmatrizen können dazu verwendet werden, die TED für die Anwendung zu konstruieren. Eine Optimierung der Verbindungen hin zu einem niedrigsten Widerstand zur Vermeidung parasitärer Verluste kann zum Beispiel für eine beliebige vorgegebene Quader-Verteilung unter der Verwendung eines Handlungsreisenden-Algorithmus zur Bestimmung des kürzesten Abstands zur Herstellung der benötigten elektrischen Verbindungen eingesetzt werden. Der Prozess kann iterativ und rekursiv sein, um stabile und transiente Bedingungen zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann eine stabile Interaktion einer vorläufig gewählten p-n-Quader-Verteilung in einem spezifischen Anwendungs-Setup unter der Verwendung von Methoden der finiten Elemente simuliert werden, deren Ergebnisse in den Anordnungsalgorithmus rückgeführt werden, wodurch eine neue, präzisere oder verbesserte Anordnung definiert wird, die dann wieder in die Methode der finiten Elemente rückgeführt wird, und so weiter.
Der Prozess kann heuristische Algorithmen und Näherungen enthalten. Zum Beispiel könnte eine Daumenregel besagen, dass für eine bestimmte Temperaturdifferenz (die in einem stabilen Zustand von Abstimmungsdaten abgeleitet wird) eine proportionale Anzahl von Quadern pro Flächeneinheit anzuordnen ist. Beim Berechnen der Anordnungen thermoelektrischer p-n-Quader können verschiedene Flächen einzeln behandelt werden. Quader können als einzelne Quader oder in Gruppen angeordnet werden. Eine beispielhafte Möglichkeit zum Vereinfachen der Lösung besteht in dem Definieren einer Quader-Packungsdichte pro interessierender Flächeneinheit gemäß den entsprechenden Daten (Abstimmungscharakteristiken) und dann der Verbindung der Quader in einem lokalen regelmäßigen Muster. Beispiele für mögliche Konstruktions-Optimierungskriterien sind nicht ausschließlich: maximaler oder optimaler COP für die TED, maximale Wärmeübertragung für eine vorbestimmte Anzahl von p-n-Quadern, relativ gleiche Temperaturverteilung auf einem Medium, relativ gleicher Wärmestrom durch eine bestimmte Fläche, niedrigste TED-Kosten (Einführen einer Kostenfunktion in die Konstruktionsparameter) und/oder minimale Packungsdichte der Quaderverteilung für eine vorbestimmte mechanische Belastung.
Eine gemäß dem offenbarten Verfahren konstruierte TED verringert die Anzahl von p-n-Quadern, um besser auf die Anwendung einzugehen, was zu einem höheren Wirkungsgrad und zu einem verringerten Gewicht und zu verringerten Kosten führt, indem eine größere Anzahl von p-n-Quadern in die Anordnung für die optimalen thermischen Grenzflächenbedingungen für den Betrieb gebracht wird. Mit einem verbesserten Wirkungsgrad können eine oder mehrere Wärmeverteilungsschichten weggelassen werden, wodurch die Gesamthöhe der TED verringert wird. Die Anzahl und Länge der Brückenverbindungen kann ebenfalls verringert werden, wodurch parasitäre Verluste minimiert und die Zuverlässigkeit und der Spannungsbereich vergrößert werden. Die Montage wird ebenfalls vereinfacht, und die Form der TED kann besser an den Kundenwunsch angepasst werden.
Es versteht sich ebenfalls, dass, auch wenn eine bestimmte Komponentenanordnung in der veranschaulichten Ausführungsform offenbart ist, auch andere Anordnungen hiervon profitieren werden. Auch wenn bestimmte Abfolgen von Schritten gezeigt, beschrieben und beansprucht sind, so versteht es sich doch, dass die Schritte in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt, getrennt oder kombiniert werden können, wenn das nicht anders angegeben ist, und immer noch von der vorliegenden Erfindung profitieren.
Auch wenn die verschiedenen Beispiele spezifische Komponenten aufweisen, die in den Darstellungen gezeigt sind, so sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese bestimmten Kombinationen eingeschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einem der Beispiele in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten von einem anderen der Beispiele zu verwenden.
Auch wenn eine beispielhafte Ausführungsform offenbart wurde, ist für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet zu erkennen, dass bestimmte Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche fallen können. Aus diesem Grund sollten die folgenden Ansprüche studiert werden, um deren wahren Umfang und Gehalt zu bestimmen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62311467 [0001]

Claims

Thermoelektrische Anordnung, umfassend: eine thermoelektrische Vorrichtung, die eine variierende Verteilung von p-n-Quadern in einer Ebenenrichtung hat, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung bereitzustellen, wobei die thermoelektrische Vorrichtung einen ersten Satz von p-n-Quadern, die in einer ersten Packungsdichte in einem ersten Bereich angeordnet sind, und einen zweiten Satz von p-n-Quadern aufweist, die in einer zweiten Packungsdichte in einem zweiten Bereich angeordnet sind, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Satz von p-n-Quadern mit Brückenverbindungen in derselben Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat elektrisch miteinander verbunden sind.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Schaltung mindestens einige p-n-Quader aufweist, die untereinander in Reihe geschaltet sind.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 3, wobei die Schaltung mindestens einige p-n-Quader aufweist, die untereinander parallelgeschaltet sind.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die thermoelektrische Vorrichtung eine Isolierschicht zwischen den Brückenverbindungen und dem Substrat in einer Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung aufweist.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die thermoelektrische Vorrichtung zwischen den Brückenverbindungen in der Ebenenrichtung eine Isolierschicht aufweist.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Isolierschicht das Substrat bereitstellt.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei das Substrat zwischen p-n-Quadern in der Ebenenrichtung angeordnet ist.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Brückenverbindungen zwischen den p-n-Quadern in der Ebenenrichtung angeordnet sind.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei mindestens das Substrat flexibel und dazu konfiguriert ist, es den p-n-Quadern zu erlauben, sich in einer Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung relativ zueinander zu bewegen.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die thermoelektrische Vorrichtung einen Abstandhalter aufweist, der sich in einer Richtung senkrecht zur Ebenenrichtung erstreckt und eine Steifigkeit hat, die größer oder gleich einer Quader-Steifigkeit der p-n-Quader ist, wobei der Abstandhalter dazu konfiguriert ist, einen unerwünschten Quader-Kompressionszustand zu verhindern.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Brückenverbindungen in einem vorbestimmten Gitter angeordnet sind und der erste und der zweite Satz von p-n-Quadern auf dem vorbestimmten Gitter angeordnet sind.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Brückenverbindungen eine gemeinsame Länge aufweisen, wobei die Brückenverbindungen gemeinsamer Länge den ersten und den zweiten Satz von p-n-Quadern elektrisch miteinander verbinden.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Brückenverbindungen eine voneinander unterschiedliche Länge aufweisen, wobei die Brückenverbindungen unterschiedlicher Länge den ersten und den zweiten Satz von p-n-Quadern elektrisch miteinander verbinden.
Thermoelektrische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Brückenverbindungen Vorderseiten- und Rückseiten-Brückenverbindungen aufweisen, und umfassend einen Schmuckbezug, der anliegend an die Vorderseiten-Brückenverbindungen angeordnet ist, und einen Fluidkanal, der anliegend an die Rückseiten-Brückenverbindungen angeordnet ist, und ein Gebläse in Fluidkommunikation mit dem Fluidkanal und dazu konfiguriert, ein Fluid durch den Fluidkanal zu blasen, um einen Wärmestrom zwischen dem Fluid und der Rückseiten-Brückenverbindung herzustellen, wobei die thermoelektrische Vorrichtung dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung des Schmuckbezugs vorzusehen.
Verfahren zum Konstruieren einer thermoelektrischen Vorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: Modellieren eines thermodynamischen Systems, aufweisend: eine modellierte Temperaturverteilung auf einer Oberfläche eines Gegenstands; ein modellierter Wärmestrom ausgehend von der Oberfläche durch eine modellierte thermoelektrische Anordnung, die p-n-Quader aufweist, an eine Umgebung; Aufbauen einer thermoelektrischen Anordnung auf Basis der modellierten Temperaturverteilung, des modellierten Wärmestroms und der modellierten thermoelektrischen Anordnung zum Bereitstellen einer ersten Packungsdichte von p-n-Quadern in einem ersten Bereich und einer zweiten Packungsdichte von p-n-Quadern in einem zweiten Bereich, die eine Packungsdichte ist, die sich von der ersten Packungsdichte unterscheidet, um in einer Ebenenrichtung eine variierende Verteilung von p-n-Quadern vorzusehen, die dazu konfiguriert ist, eine nicht gleichmäßige thermische Konditionierung vorzusehen.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Modellierungsschritt eine modellierte Druckverteilung auf der modellierten thermoelektrischen Anordnung beinhaltet, und die erste und die zweite Dichte auf der modellierten Druckverteilung basieren, um eine unerwünschte Last auf den p-n-Quadern zu verhindern.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Modellierungsschritt ein Bestimmen der kürzesten elektrischen Verbindungen zwischen den p-n-Quadern beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Modellierungsschritt ein Bestimmen von elektrischen Reihen- und Parallel-Verbindungen zwischen den p-n-Quadern beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die thermoelektrische Anordnung so gebaut wird, dass die erste und die zweite Dichte so angeordnet werden, dass mindestens entweder die modellierte Temperaturverteilung oder der modellierte Wärmestrom über die Oberfläche ausgeglichen werden.