具有非均匀热传递特性的分布式热电材料的制作方法

本申请要求于2016年3月22日提交的美国临时申请no.62/311,467的优先权，该临时申请通过引用结合在此。

本公开涉及例如使用分布式热电材料来对表面进行传导冷却，例如座椅套罩、电池热管理或电子装置。

背景技术：

在机动车辆应用中加热和冷却座椅正变得越来越普遍。一种方法是使用安装至形成座椅座垫或座椅靠背的成形泡沫块的柔性管道。将经调节的空气吹动通过管道。织物支撑在柔性管道上，并且穿孔美学盖罩缠绕在泡沫周围。空气通过柔性管道中的孔进行供应并且然后穿过盖罩中的穿孔以热调节座位表面。带有穿孔的盖罩可能不合需要。另外，采用上述方法存在热损失。

对座椅进行热调节的另一种方法使用具有相等间隔的p-n团粒的单个大型热电装置(ted)，其在平面内方向上提供均匀的团粒堆积密度。这可能导致团粒数量增加或与部分座位表面所需相比整体更低的功率密度。如果对应用使用超过所需量的团粒，则会使用不必要的电连接、增加部件数目并且提供比所需更复杂的组件。具有均匀团粒堆积密度的ted的意外后果可能是降低可靠性、增加成本并降低效率。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，热电组件包括热电装置，该热电装置在平面内方向上具有p-n团粒变化分布，该分布配置为提供不均匀热调节。热电装置包括在第一区域中以第一堆积密度设置的第一组p-n团粒。第二组p-n团粒以第二堆积密度设置在第二区域中，该第二堆积密度是与第一堆积密度不同的堆积密度。

在任何上述实施例的又一实施例中，第一组和第二组p-n团粒在共用基底上在同一电路中利用分流器彼此电连接。

在任何上述实施例的又一实施例中，电路包括彼此串联电连接的至少一些p-n团粒。

在任何上述实施例的另一实施例中，电路包括彼此并联电连接的至少一些p-n团粒。

在任何上述实施例的又一实施例中，热电装置沿平面贯穿方向包括位于分流器和基底之间的绝缘层。

在任何上述实施例的另一实施例中，热电装置沿平面内方向包括位于分流器之间绝缘层。

在任何上述实施例的另一实施例中，绝缘层提供基底。

在任何上述实施例的另一实施例中，基底沿平面内方向设置在p-n团粒之间。

在任何上述实施例的另一实施例中，分流器沿平面内方向设置在p-n团粒之间。

在任何上述实施例的另一实施例中，至少基底是柔性的并且构造成允许p-n团粒沿平面贯穿方向相对于彼此移动。

在任何上述实施例的另一实施例中，热电装置包括间隔件，该间隔件沿着平面贯穿方向延伸并且具有等于或大于p-n团粒的团粒刚度的刚度。间隔件配置成防止不期望的团粒压缩状况。

在任何上述实施例的另一实施例中，分流器设置在预定义网格中。第一组和第二组p-n团粒设置在预定义网格上。

在任何上述实施例的另一实施例中，分流器包括共用长度。该共用长度分流器将第一组和第二组p-n团粒彼此电连接。

在任何上述实施例的另一实施例中，分流器包括彼此不同的长度。该不同长度分流器将第一组和第二组p-n团粒彼此电连接。

在任何上述实施例的另一实施例中，分流器包括主侧分流器和废侧分流器。美学罩盖设置为与主侧分流器相邻。流体通道设置为与废侧分流器相邻。吹风机与流体通道流体连通并配置成将流体吹动通过流体通道以在流体和废侧分流器之间提供热通量。热电装置配置成提供对美学盖罩的不均匀热调节。

在另一示例性实施例中，设计热电组件的方法包括对热力学系统进行建模的步骤，该建模步骤包括在来自物体的表面上的模型化温度分布。还包括从表面通过具有p-n团粒的模型化热电组件到达环境的模型化热通量。基于模型化温度分布、模型化热通量和模型化热电组件构建热电组件以在第一区域中提供第一p-n团粒堆积密度。在第二区域中提供第二p-n团粒堆积密度，该第二p-n团粒堆积密度是与第一堆积密度不同的堆积密度，从而沿平面内方向提供p-n团粒变化分布，该变化分布配置为提供不均匀热调节。

在任何上述实施例的另一实施例中，建模步骤包括模型化热电组件上的模型化压力分布。第一和第二密度基于模型化压力分布以防止p-n团粒上的不期望负载。

在任何上述实施例的另一实施例中，建模步骤包括确定p-n团粒之间的最短电连接。

在任何上述实施例的另一实施例中，建模步骤包括确定p-n团粒之间的串联和并联电连接。

在任何上述实施例的另一实施例中，热电组件构建为将第一和第二密度定位成使模型化温度分布和模型化热通量中的至少一个在整个表面上均衡。

附图说明

当结合附图进行考虑时，通过参考以下详细描述可以进一步理解本公开，其中：

图1是热力学系统的示意图。

图2是热电装置和示例性相邻层的分解视图。

图3是具有分布式架构的示例性热电装置的一部分的平面图。

图4a是热电装置的通过p-n团粒的平面内截面图。

图4b是图4a中所示的热电装置的俯视图。

图4c是图4a中所示的热电装置的仰视图。

图5是一个示例性热电装置部件配置。

图6是另一示例性热电装置部件配置。

图7是又一示例性热电装置部件配置。

图8是又一示例性热电装置部件配置。

图9是另一示例性热电装置部件配置。

图10是又一示例性热电装置部件配置。

图11是又一示例性热电装置部件配置。

图12a是具有p-n团粒的示例性热电装置的示意图，所述p-n团粒具有变化的平面内堆积密度并在团粒之间具有不同长度的电连接。

图12b是图12a中所示的热电装置的俯视图。

图12c是图12a中所示的热电装置的仰视图。

图13是具有p-n团粒的示例性热电装置的示意图，所述p-n团粒具有变化平面内堆积密度并在团粒之间具有相同长度的电连接。

图14是图13中所示的具有间隔件的热电装置的示意图以限制热电装置的不期望压缩。

图15是具有预定义网格的示例性热电装置的示意图，该网格提供至p-n团粒的电连接。

图16是在尺寸变化的团粒之间具有串联和并联电连接的示例性热电装置的示意图。

前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案，包括它们的各个方面或相应的各个特征中的任何一个，可以独立地或以任何组合方式采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征不兼容。

具体实施方式

在图1中以高度示意性的方式示出了热力学系统10。热电装置(ted)12设置在主侧界面18和废侧界面20之间。主侧界面18直接或间接地支撑表面22上的物体14并且废侧界面与环境16相邻。物体14例如可以是电子装置、电池、就座乘员或环境。当电能施加到ted12时，ted12用作热泵以产生热通量，该热通量例如从物体14流动到环境16以冷却物体14。在另一个实施例中，热电装置12可以不同地定向以反转热通量方向并且加热而不是冷却物体14。在另一个实施例中，ted12可以配置为其中平面贯穿热通量在ted12中感应出电流以产生电能的无源装置。

主侧界面18和废侧界面20中的一个或两个可以包括一个或多个层。在图2所示的一个示例中，主侧和/或废侧界面18,20包括接合层19和热交换器层21，但是如果需要可以省略这些层。接合层19可以是导热垫、胶、焊料、导热膏和/或箔中的至少一种，其在使用时用于将ted12固定到热交换器层21。热交换器层21可以是散热器、热交换器、翅片、底盘、壳体、管道和/或流体(例如冷却剂、废气、空气或等离子体)中的至少一种。层19,21可用于经由所感测的温度和/或温度差产生或停止热传递和/或感测热传递。

典型的ted具有相等的p-n团粒间距，该间距在平面内方向上提供均匀的团粒堆积密度。当电源施加电能时，p-n团粒产生热通量。不是在热电系统10中提供多个分立的“现成”ted，而是使用所公开的设计过程基于应用通过考虑影响ted12的每个元件的变量来提供在平面内方向上具有变化p-n团粒分布的至少一个大ted12。例如，如图3所示，ted12包括在第一区域中以第一堆积密度设置的第一组30p-n团粒24以及在第二区域中以第二堆积密度设置的第二组32p-n团粒24。该第二堆积密度是与第一堆积密度不同的堆积密度。当然，所示的两个区域是示例性的并且还可以使用更多区域和/或不同构造的区域。此外，也通过所公开的第一和第二堆积密度考虑了具有相同团粒堆积密度的分离区域。因此，可以使用各种设计约束对任何给定系统的热通量进行建模以确定在共用基底26上在同一电路34中的所需的p-n团粒设置。

图4a-4c示出了一种类型的ted结构。p-n团粒24沿平面贯穿方向在基底26之间延伸。分流器28设置在主侧(例如，图4b)和废侧(例如，图4c)上以将p-n团粒28电连接在电路中。尽管所公开的ted12如图3和12a-16所示具有不均匀分布的至少一部分p-n团粒，但为简单起见，p-n团粒24在图4a-4c中显示为均匀分布。

在座椅应用的示例中，分流器包括主侧分流器和废侧分流器，其中美学盖罩设置为与主侧分流器相邻。流体通道设置为与废侧分流器相邻并且吹风机与流体通道流体连通并且构造成将流体吹动通过流体通道以在流体和废侧分流器之间提供热通量。所公开的ted配置为提供美学盖罩的不均匀热调节。

可以根据应用和期望性能及功能而使用各种配置来构造所公开的ted。一些示例性结构如图5-11所示。参照图5，电绝缘层36设置为与分流器28相邻并且沿平面贯穿方向由基底26支撑。在图6所示的示例中，ted112包括与分流器28相邻的绝缘层136并且基底26沿平面内方向设置在p-n团粒24之间。在图7和8中所示的示例ted212,312中，分流器28沿平面内方向设置在p-n团粒24之间。基底26可以是分立的并且彼此绝缘，如图8所示。

参考图9中所示的ted412，绝缘层136也可以提供基底并且可以沿平面内方向设置在分流器28之间，也如图6所示。如图10所示，柔性ted512可以使用柔性基底126、分流器128和绝缘层236中的至少一个进行提供，其允许p-n团粒24沿平面贯穿方向相对于彼此移动。参照图11，绝缘层336沿平面内方向和平面贯穿方向覆盖分流器28而没有基底，这提供了更柔性ted612。

由于与典型的ted不同，相邻的p-n团粒以彼此不同的不规则距离设置以针对特定应用将p-n团粒放置在更优化的位置中，所以电连接p-n团粒可能更具挑战性。图12a-12c中描绘的一种方法基于对用于ted712的p-n团粒24的期望位置而使用各种长度的分流器228,328,428。制造工艺(例如金属沉积，印刷，蚀刻或铣削)例如可以减轻在组装中使用多个分流器长度的难度并且还可以容纳可能期望围绕切口或螺钉使用的不同形状的分流器。由于使用分布式团粒可能不期望地需要更多数量的分流器长度，所以可以使用共用分流器长度来连接p-n团粒24，这可能需要使p-n团粒从其用于ted812的期望位置稍微移动以便容纳用于各种电连接的相同分流器328，如图13所示。可以选择一批数个固定长度分流器来进行连接。由于p-n团粒的平面内间隔可以不同，所以ted的周边可以更容易地制成任何形状并基于所得p-n团粒不规则成形最外周而不是典型的正交ted周边来进行定制。

参照图14，ted包括沿平面贯穿方向延伸并且具有显着大于p-n团粒24的团粒刚度或杨氏模量的刚度的间隔件38。间隔件38构造为防止由ted的机械过载引起的不期望团粒压缩状况。诸如电阻器、放大器、传感器和/或led的有源和/或无源电子装置可以集成到ted中。

提供p-n团粒24之间的电连接的另一种方法是提供预定义分流器网格40，例如，具有第一和第二网格间隔42,44(例如，正交)，该网格40在ted912内提供不同的可能连接位置。同一预定义网格40可以提供足够的可变性使得网格可以用于设计具有不同p-n团粒设置的不同ted。

如图16所示，电路34可以包括至少一些p-n团粒24，这些p-n团粒24彼此串联46和/或并联48电连接，并联连接团粒减少了完全故障的可能性并且可以用于降低ted的电阻或用于设定特定的电压/电流范围，这会影响效果和效率。

不同尺寸的p-n团粒128也可以用于ted1012中。团粒的尺寸影响团粒的电阻和热阻并影响效率和其他热电特征。

上述ted配置提供了可用于构建具有平面内p-n团粒变化分布的ted的构造技术，以实现与给定应用匹配的非均匀的、有针对性的热边界条件。所公开的热电组件可以通过考虑各种设计因素和系统特性的方法来设计。

识别或限定目标系统特性并确定其在表面22(图1)上的平面或空间分布，例如电池壳体上的温度和热通量。确定至少环境16(图1)上的目标系统特性及其平面或空间分布，例如，在热交换器中沿着流动方向的冷却剂温度。确定系统堆叠的各种部件(图1和2)之间的界面的条件，例如，热垫上的压力分布，从而导致不均匀的热导率。

用于构造热电组件的设计方法包括对热力学系统进行建模，该建模具有在来自物体的表面上的模型化温度分布以及从表面通过具有p-n团粒的模型化热电组件到达环境的模型化热通量或温度。系统的热通量或温度可以在有限元模型中以x，y，z坐标建模，同时考虑材料的热导率、传热系数和其他系统特性。还可以考虑由p-n团粒、热阻、寄生损耗和其他ted特性所提供的珀耳帖效应。建模步骤可以包括模型化热电组件上的模型化压力分布，其中第一和第二堆积密度基于模型化压力分布以防止对p-n团粒的不期望负载。

通过从一个步骤启发式解决方案到递归瞬态仿真，确定满足所定义的优化标准的团粒分布及其互连路径的解决方案。基于模型化温度分布、模型化热通量和模型化热电组件来构建热电组件，以在第一区域中提供第一p-n团粒堆积密度并在第二区域中提供与第一堆积密度不同的第二p-n团粒堆积密度，其沿平面内方向提供了p-n团粒变化分布，该分布配置为在团粒/ted上提供不均匀热调节；然而，在目标(例如，表面和物体之间)处的热调节可以设计为不均匀或均匀。例如，热电组件可以构建为将第一和第二堆积密度定位成使模型化温度分布和模型化热通量中的至少一个在整个表面或部分表面上均衡。

这些步骤的特征根据其平面或空间分布进行匹配，从而产生传热边界条件或要求的每点(面积，体积)分辨率。提供边界条件和限制基于各种目标进行优化，例如，最大性能系数(cop)、可用面积、电流输入/输出点、最小团粒-团粒距离。其他因素可以包括确定p-n团粒之间的最短电连接，或确定p-n团粒之间的串联和并联电连接。

设计标准和解决方案可以包括数个不同的甚至是矛盾的目标以及多维或模糊变量，并且可以允许数个局部最优。优化和近似算法以及权重矩阵可以一起用于设计用于应用的ted。例如，朝最低电阻率优化互连以避免寄生损失可以用于任何给定的团粒分布，同时使用旅行推销员算法来确定实现所需电连接的最短距离。该过程可以是迭代和递归的并考虑稳态和瞬态条件。例如，可以使用有限元方法模拟在特定应用设置中预先选择的p-n团粒分布的稳态相互作用，该有限元结果被馈送到放置算法从而定义新的，更精确的或改进的放置，然后该新的放置被馈送回有限元方法并以此类推。

该过程可以包括启发式算法和近似。经验法则可以是例如对于给定的温度差(在稳态下从匹配数据导出)必须在每个区域放置比例数量的团粒。在计算热电p-n团粒的放置时，可以单独处理不同的区域。团粒可以作为单个团粒或成组放置。简化解决方案的示例方法是根据相应数据(已匹配特征)定义每个感兴趣区域的团粒堆积密度，然后以局部规则格局连接团粒。可能的设计优化标准的示例包括不排除：ted的最大或最佳cop、给定数量p-n团粒的最大热传递、介质上相对相等的温度分布、通过限定区域的相对相等热通量、最低ted成本(将成本函数引入设计参数)和/或对于给定的机械载荷的最小团粒分布堆积密度。

根据所公开的方法所设计的ted通过在用于操作的最佳热边界条件下放置更多数量的p-n团粒减少了p-n团粒的数量以更好地匹配其应用，这提高了效率并减少了重量和成本。通过提高效率，可以省除一个或多个散热器，这降低了ted的总高度。还可以减少分流器的数量和长度，这最小化寄生损耗并改善可靠性和电压范围。装配也简化了并且ted的形状可以更好地定制。

还应该理解，尽管在所示实施例中公开了特定的部件设置，但是其他设置将从中受益。尽管示出、描述和要求保护了特定的步骤顺序，但应该理解，除非另有说明，否则步骤可以以任何顺序分开或组合地进行，并且仍将受益于本发明。

尽管不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本发明的实施例不限于那些特定组合。可以将来自一个示例的一些部件或特征与来自另一个示例的特征或部件结合使用。

尽管已经公开了示例实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入权利要求的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定其真实范围和内容。