专利名称：热电式换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电式换能器，其中，直流电流过包含N型热电元件和P型热电元件的串联电路，从而吸收或辐射热量。所述热电式换能器可以适宜监控以串联方式连接的热电元件中的故障。
背景技术：
美国专利US 5,254,178(对应于日本专利JP-3166228)描述的常规热电式换能器中，多组N型热电元件和P型元件按这种顺序以串联的方式连接，从而构成热电元件组。这些热电元件组由热吸收电极构件和热辐射电极构件以串联的方式顺序相连。此外，热吸收热交换构件以突出的形式与热电元件组中的热吸收电极构件相结合，热辐射热交换构件以突出的形式与热电元件组中的热辐射电极构件相结合，以分别构造热吸收热交换部分和热辐射热交换部分。
然而，在US 5,254,178中公开的热电式换能器中，所有热电元件都通过热吸收电极构件或热辐射电极构件以串联的方式彼此电连接。为此，彼此相邻的热电元件、电极构件和热交换构件处于彼此电绝缘的状态。
在这样的热电式换能器中，一种公知的故障模式是热电元件异常地产生热量，而融化热电元件周围部件的故障。这种故障是由于当热电元件自身产生热量或被冷却时，扩张或收缩中产生的热应力造成热电元件自身出现微裂缝而导致的。当微裂缝增大时，热电元件可能损坏，并完全丧失传导性，或者在完全损坏前，可能由于接触阻抗而异常地产生热量。
当热电元件异常地产生热量时，就会出现一个问题，即与热电元件相结合的电极构件和热交换构件异常地产生热量，使它们周围的框架构件融化，从而产生有害气味。
为了消除这个问题，需要为所有的热交换构件安装温度传感器，以检测异常热量的产生，而这是不切实际的。另外，这还引出一个问题，即不容易对温度传感器所固定的位置做出选择，以便减少温度传感器的数目。
发明内容
鉴于以上各种问题而做出本发明。本发明的目的在于提供一种能够在早期阶段检测热电元件中故障并采取措施，以防止异常的热电式换能器。
根据本发明的一种方案，一种热电式换能器包括热电元件模块和用以控制热电式换能器的控制装置。这种热电元件模块中，放置多对P型和N型热电元件，并且，所有的热电元件以串联的方式电连接。另外，所述热电元件模块包括第一端子，与热电元件中的电功率输入侧相连，用以输入电功率；第二端子，用于输出电功率，并与热电元件中的电功率输出侧相连；以及第三端子，设置于第一端子和第二端子之间的一个或多个位置处，用于检测所述一个或多个位置处的电势能。在这种热电式换能器中，所述控制装置是基于当把电功率施加到第一端子和第二端子之间时，由各端子的电势确定的端子间电压而控制热电元件模块的。
因此，当热电元件导致异常时，各端子之间的电压失去平衡关系，并由此而能通过监测各个端子之间的电压来检测热电元件中的故障。因此，就能够不使用复杂的构造，而检测热电元件中的故障。
此外，各个端子之间的电阻值会因热电元件自身的特性、风速的分布特性和温度的分布特性而有很大的改变。因此，通过设置多个(两个或更多)第三端子，以减小各端子之间电压的变化。这能够提高各端子之间的电压的精确度。
根据本发明的另一方案，一种热电式换能器包括以串联的形式电连接的多个热电元件模块，其中，每个模块包括以串联形式电连接的多对P型和N型热电元件；第一端子，与一个热电元件模块中的电功率输入侧相连，用以输入电功率；第二端子，与另一热电元件模块中的电功率输出侧相连，用于输出电功率；第三端子，设置于第一端子和第二端子之间的一个位置或多个位置处，用于检测所述一个位置或多个位置的电势；以及控制装置，它是基于当把电功率加到第一端子和第二端子之间时，由各端子的电势确定的各端子之间的电压来控制热电元件模块的。
因此，即使当使用多个热电元件模块时，也能在早期阶段通过监测各个端子之间的电压来检测热电元件中的故障。例如，可以在第一端子和第二端子之间的多个位置设置多个第三端子，或者可以在第一和第三端子间的电压与第二和第三端子间的电压近似相等的预定位置设置单独一个第三端子。这样，在热交换元件周围的框架构件受热融化而产生有害的气味之前，或者热电元件模块中的框架构件损坏之前，能够快速地停止流过热电元件的电流。作为举例，当各个端子之间的电压差大于预定值时，控制装置可以停止流过热电元件模块的电流。
所述控制装置可以包括热电元件驱动构件，用于通过PWM控制而驱动热电元件模块；以及电压检测构件，用于检测各端子之间的电压。这样，所述控制装置以如下方式控制所述热电元件驱动构件和电压检测构件，也即当所述热电元件驱动构件驱动热电元件模块时，所述电压检测构件以同步时序检测各端子间的电压。因此，所述热电元件驱动构件能够通过控制改变脉宽中的开启和关闭之间的比率，以驱动热电元件模块。因此，当热电元件模块为开启时，能够监测各个端子之间的电压。
例如，在当热电元件驱动构件的频率较快，并且对电压检测构件测得的电压进行A/D转换的处理较慢的情况下，在电压稳定之间所经过的时间变短，因此A/D转换的时序不及时。这样，所述控制装置按预定时间，周期性地控制热电元件驱动构件，从而能够利用热电元件驱动构件输出的开启时序，而正确地同步A/D转换的时序。
这种热电式换能器可以适用于空调的加热/冷却设备，例如座位式空调设备。
从下文结合附图对优选实施例的描述，将使本发明其它的目的以及优点变得更加明显；其中图1是表示本发明第一实施例热电元件模块一般结构的示意图；图2是沿图1中所示的II-II线所取的剖面图；图3是表示本发明第一实施例热电元件模块用于座位式空调设备的装配示例的示意图；图4是沿图1中所示的IV-IV线所取的剖面图；图5是表示本发明第一实施例中的控制装置的控制过程流程图；图6是用于确定本发明第一实施例中端子间电压的示意图；图7是的曲线表示在将气体容积用作参数时，阻抗R1的变化和热辐射侧的热交换部分的温度之间的关系；图8是用于确定本发明第二实施例中端子间电压的示意图；图9是表述当把多个本发明第三实施例的加热/冷却装置装配在座位中时，座位式空调设备一般构成的示意图；图10是表述本发明第三实施例中的控制装置和多个热电元件模块的电路图；图11是表述本发明第三实施例控制装置的控制过程的流程图；图12是表述目标空气冷却容量与热电元件和鼓风机的负荷比之间关系的特性图；图13是表述本发明第三实施例中热电元件驱动构件的开启/关闭时序和电压检测构件的A/D转换时序的时序图；以及图14是表述本发明第三实施例一种改型中的热电元件驱动构件的开启/关闭时序和电压检测构件的A/D转换时序的时序图。
具体实施例方式
(第一实施例)
下文将基于图1至图7描述本发明第一实施例的热电式换能器。
图1是表示热电元件模块30一般构成的示意图，图2是沿图1中所示II-II线所取的剖面图。在本实施例中，热电式换能器通常用于按装在车辆上的冷却设备或/和加热设备。例如图3所示，热电式换能器用于座位式空调设备，热电元件模块30布置在车辆座位1中的底座部件1b中，其中，由热电元件模块30冷却的冷气从座位1的表面吹出。
这种座位式空调设备具有座位1，座位1具有靠背部件1a和底座部件1b；加热/冷却装置5，放置在座位1下面形成的空间4中；以及控制装置40(ECU)，用于控制加热/冷却装置5。
为靠背部件1a装配有与空间4相通的第一管道3a和多个与第一管道3a相通的空气出口2。为底座部件1b装配了与空间4相通的第二管道3b和多个与第二管道3b相通的空气出口2。
加热/冷却装置5由鼓风机50和热电元件模块30构成。鼓风机50通过热电元件模块30将车辆车厢内的空气(内部空气)引入座位1并将空气吹到空气出口2。
热电元件模块30是公知的珀耳帖效应(Peltier)元件，用于将电能转化为热能。所述热电元件模块30由与在内部设置的热电半导体相连的电极构件16和在外部设置的多个热辐射/吸收热交换部分25b构成，以便通过改变电流的流经方向(将有详细说明)，对鼓风机50引入的车辆车厢内的空气进行加热或冷却。
空间4具有与座位1的外部相通的排气管道3c，排气管道3c被隔板(未示出)分开布置于上述第一管道3a和第二管道3b之间。换句话说，将空间4形成为，用以避免由一个热交换部分25b加热或冷却的经空调调节的空气与其它热交换部分25b加热或冷却后排放的气体相混合。
此外，图3中所示的参考标号7和8表示温度传感器。具体地说，温度传感器7检测要从空气出口2吹出的经空调调节的空气的温度，温度传感器8检测从排气管道3c吹出的空气的温度。这些温度传感器7、8测得的温度信息输入到控制装置40。
如图1、图2和图4所示，热电元件模块30的结构包括热电元件基极10，其上设置有多个P型和N型热电元件12、13；电极构件16，用于使相邻的热电元件12、13以串联的方式电连接；多个与电极构件16相结合的热交换构件25，用于传送热量；以及框架构件28。
由多个P型和N型热电元件12、13；用于支撑这些热电元件12、13的支撑板11；在支撑板11表面上形成防水薄膜的防水薄膜构件14，；以及电极构件16(电极元件)一体地构成热电元件基板l0。
具体地说，所述热电元件基板10以如下结构一体地构成将热电元件组布置在由平板形绝缘材料(如环氧玻璃钢板、PPS树脂、LCP树脂或PET树脂)制成的支撑板11上，所述热电元件组中以格子图案的方式交替地放置多对P型热电元件12和N型热电元件13；以及使电极构件16与相邻热电元件对12、13的表面的两端分别相结合。
P型热电元件12是非常小的组件，由铋-碲基混合物组成的P型半导体构成；N型热电元件13是由铋-碲基混合物组成的N型半导体构成的非常小的组件。将支撑板11形成为厚度与热电元件12、13的元件高度几乎相等。
如图4所示，电功率输入端子24a和电功率输出端子24b被分别固定到放置于左上端和右上端的热电元件12、13上。电功率输入端子24a与直流电源(未示出)的正极端子相连，电功率输出端子24b与直流电源的负极端子相连。
由电极元件组成的电极构件16是呈平板形的电极，它由比如铜材料等导电金属形成，用于与布置在热电元件基板10上的热电元件组中的一对彼此相邻的P型热电元件12和N型热电元件13以串联的方式电气连接。
具体地说，如图1所示，布置在上侧的电极构件16是使电流从N型热电元件13流到P型热电元件12的电极，所述N型热电元件13和P型热电元件12彼此相邻；布置在下侧的电极构件16是使电流从P型热电元件12流到N型热电元件13的电极，所述P型热电元件12和N型热电元件13彼此相邻。
如图4所示，所有电极构件16它们统一为平板形状，并形成相同的矩形，足以覆盖一对相邻的热电元件12、13的端表面。电极构件16被设置在对应于放置在热电元件基板10上的热电元件12、13的放置状态的预定位置处。通过丝网印刷术向热电元件12、13的端表面稀薄地和均匀地涂上糊状钎焊料等，然后通过使用焊料将电极构件16与端表面相结合。
由此，使所有热电元件12、13通过电极构件16以串联的方式彼此电连接。换句话说，如图4中的点划线所示，当将电功率加于电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间时，电流从左边的电功率输入端子24a流到右边的电功率输出端子24b，而沿着热电元件组的方向上重复地曲折前进。
在本实施例中，中间端子24c(输入端子24a和输出端子24b之间的端子)固定在差不多处于与电功率输入端子24a相连的热电元件12和与电功率输出端子24b相连的热电元件13之间的中间位置的热电元件12上。
更具体地，固定所述中间端子24c的热电元件12的位置是，在把预定电压加与电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间时，电功率输入端子24a和该中间端子24c之间的电压与该中间端子24c和电功率输出端子24b之间的电压差不多相等的位置。
电功率输入端子24a、电功率输出端子24b和中间端子24c与后文将要描述的控制装置40电连接，以便将它们的端子电势信息输出给控制装置40。这就是说，这些端子24a、24b和24c是用于检测电功率输入部分、中间部分和电功率输出部分电势的端子。
由此，可以确定电功率输入端子24a和中间端子24c之间的电压，以及中间端子24c和电功率输出端子24b之间的电压(下文将详细说明)。
上述电极构件16与防水薄膜构件14形成一体。在支撑板11的一个表面和另一个表面上都布置有防水薄膜构件14，从而在彼此相邻的热电元件对12、13的端表面上分别布置有电极构件16。
防水构件14是以薄膜的形式形成的薄片，该薄膜由热塑聚酰亚胺薄膜和热固聚酰亚胺薄膜组成。防水构件14还具有在其一个表面上一体形成的铜箔制成的铜箔层。对铜箔层进行腐蚀，从而在预定的设置位置按预定形状形成电极构件16。
支撑板11的一个表面和另一个表面的整个表面上放置有防水薄膜构件14，从而在支撑板11上形成了防水薄膜。此外，防水薄膜构件14具有开口14a，开口14a在电极构件16与防水构件14相对的位置处形成，也就是在对应于热电元件12、13的各个端表面处。开口14a在大小和形状上差不多与热电元件12、13的端表面相等。通过使用焊料，电极构件16与热电元件12、13的端表面在这些开口14a的外围彼此结合。
因此，当防水薄膜构件14中的开口14a被焊料封上时，压缩水不会从热交换构件25(下文将会说明)进入热电元件12、13和电极构件16的结合部分。
接下去，由比如铜材料之类的传导金属组成的薄板形成热交换构件25。如图2所示，热交换构件25具有近似为字母U的形状形成的横截面。热交换构件25包括在底部形成的平面形电极部分25a和在电极部分25a向外延伸的平面处形成的形状类似百叶窗的热交换部分25b。
热交换部分25b是散热片，用于吸收和辐射从电极部分25a传送来的热量。通过比如切割和弯曲过程的成型过程，由电极部分25a一体地形成热交换部分25b。平面形电极部分25a布置在与电极构件16在热电元件基板10上布置状态对应的预定位置处，并通过使用焊料与电极构件16的端表面相结合。
此外，参考数字22表示固定板和支撑构件，用于支撑多个热交换构件25的另一端。由此，在相邻的热交换构件25之间形成了预定空间，且相邻的热交换构件25彼此电气绝缘。
固定板22由平面形绝缘材料(如环氧玻璃钢板、PPS树脂、LCP树脂或PET树脂)组成，正如支撑板11那样。固定板22具有固定开口(未示出)，电极部分25a的另一端通过这些开口。
如图1所示，直流电功率从电功率输入端子24a输入，从位于图中所示左端上的P型热电元件12的上端的电极构件16流向P型热电元件12，然后通过下侧上的电极构件16连续地流向相邻的右侧上的N型热电元件13，然后通过上侧的电极构件16连续地流向相邻右侧上的P型热电元件12。
这时，放置在图1中上侧并构成N-P连接的电极构件16由于珀耳帖效应(Peltier)而进入低温状态，放置在图1中下侧并构成P-N连接的电极构件16进入高温状态。换句话说，放置在图1中上侧的热交换部分25b形成了热吸收侧的热吸收热交换部分；低温的热量传输到热交换部分25b并放入冷却液与热交换部分25b相接触。相比而言，放置在图1中下侧的热交换部分25b形成了热辐射侧的热辐射热交换部分；高温的热量传送到热交换部分25b，并使要被冷却的液体进入与热交换部分26b相接触。
通过使用热电元件基板10作为间壁，框架构件28放置在热电元件基板10的两侧上，形成空气吹出通道，从而空气在空气吹出通道中流动以在热交换部分25b和空气之间交换热量。之后，例如可以通过图1中上侧上的热交换部分25b对空气进行冷却，并通过图1中下侧上的热交换部分25b对空气进行加热。由适宜的树脂，比如其中具有混合加强成分的聚丙烯(如PBT-M20GF20)，一体地框架构件28。
在本实施例中，直流电源的正极端子与电功率输入端子24a相连，而直流电源的负极端子与电功率输出端子24b相连，以便向电功率输入端子24a输入直流电功率。然而，直流电源的正极端子也可以与电功率输出端子24b相连，而且直流电源的负极端子则可与电功率输出端子24a相连，以便向电功率输入端子24a输入直流电功率，从而使电流的流通方向颠倒。
但与此同时，图1中上侧上的热交换部分25b形成热辐射热交换部分，而图1中下侧上的热交换部分25b形成热吸收热交换部分。这样，冷却/加热设备5用作加热设备。
在以上述方式构成的热电元件模块30中，一种公知的故障模式是热电元件12、13异常地产生热量，从而融化热电元件周围的部件的故障。这种故障是由于当热电元件12、13自身产生热量或者被冷却时，扩张或收缩中产生的热应力造成热电元件12、13自身出现微裂缝而导致的。当微裂缝增大时，热电元件12、13可能损坏且完全丧失传导性，或者可能在完全损坏之前，由于接触阻抗而异常地产生热量。
具体地说，当热电元件12、13异常地产生热量时，出现一个问题，即异常产生的热量被传送给与热电元件12、13结合的电极构件16，也传送给热交换构件25，从而融化靠近热交换构件25的框架构件28，以致产生有害的气味。
本实施例能够在早期阶段检测热电元件12、13中的故障(如异常的热量产生)，并能通过简单的构造设法应对这种反常性。具体地说，如图3和图4所示，为本实施例提供了控制措施的控制装置40，用于控制热电元件模块30和鼓风机50。
控制装置40主要由微型计算机构成，并在内置ROM(未示出)中存储先前设置的控制程序。控制装置40不但基于来自温度传感器7、8，以及用来检测车辆车厢中温度的内部温度传感器(未示出)的温度信息，而且基于来自上述各个端子24a、24b和24c以及来自操作面板(未示出)的电势能信息，以便控制热电元件模块30和鼓风机50。
操作控制装置40以空气冷却模式、空气加热模式和空气吹风模式作为通用的操作模式而工作。空气冷却模式用于通过热电元件模块30对鼓风机50引入的车辆车厢中的空气进行冷却，并从空气出口2吹出冷却的空调调节后的空气。
在这时的控制中，电源的正极端子与电功率输入端子24a相连，而电源的负极端子与电功率输出端子24b相连，用以在这些端子24a、24b之间加给预定电压，并使鼓风机50工作。由此，通过热电元件模块30对由鼓风机50引入的车辆车厢中的空气进行冷却，并且将冷气从空气出口2吹出。
空气加热模式通过热电元件模块30对鼓风机50引入的车辆车厢中的空气进行加热，并将加热的空调调节的空气从空气出口2吹出。这样，电源的负极端子与电功率输入端子24a相连，而电源的正极端子与电功率输出端子24b相连，用以在这些端子24a、24b之间加给预定电压，并使鼓风机50工作。
之后，通过热电元件模块30对鼓风机50引入的车辆车厢中的空气进行加热，并将热空气从空气出口2吹出。此外，空气吹风模式将鼓风机50引入的车辆车厢中的空气从空气出口2吹出。这样，只操作鼓风机50将车辆车厢中的空气从空气出口2吹出。
由控制装置40控制加于端子24a和24b之间的预定电压。换句话说，根据设置在操作面板(未示出)上的温度设置/调整开关(未示出)的操作信息，可变地控制电流的总量。因此，比如根据所述操作信息，由PWM控制确定的电流总量确定加于端子24a和24b之间的预定电压。
在上述操作模式下，根据来自各个端子24a、24b和24c的电势信息，实施用于控制热电元件模块30和鼓风机50的异常性测量控制措施。具体地说，这种异常性测量控制措施是图5所示的控制处理的流程图，并在下文根据该流程图，对异常性测量控制措施进行说明。
当把电功率输入到冷却/加热设备5时，开始异常性测量控制措施的控制处理，并在步骤410处执行初始化。这里，使将在步骤480中描述的标记进行初始化。在步骤420处，读取操作开关(未示出)的操作信息。在步骤430处，确定操作开关是否闭合。这里，如果操作开关断开，重复执行处理直到操作开关闭合。
如果操作开关闭合，在步骤440处，读取各个端子24a、24b和24c的电势信息v0、v1和v2。步骤440对应电压检测措施(means)。在步骤450处，计算各个端子24a、24b和24c之间的电压。
更具体地，如图6所示，计算电功率输入端子24a和中间端子24c之间的电压V1，以及中间端子24c和电功率输出端子24b之间的电压V2。这里，公知的是热电元件12、13的电阻值受所加给的电压、周围温度、热辐射总量和空气容积的影响改变很大。
然而，电功率输入端子24a和中间端子24c之间的电阻R1，以及中间端子24c和电功率输出端子24b之间的电阻R2处于相同的环境中，因此，尽管它们的绝对值发生改变，但彼此的改变量几乎相等，从而预定电压V0＝V1+V2，并且电压V1≈电压V2。换句话说，这时热电元件12、13正常工作。
当热电元件12、13在电功率输入端子24a和中间端子24c之间导致比如异常热量产生的故障时，电阻R1发生改变。这就是说，有如图7所示那样，当热电元件12、13异常地产生热量时，产生的热量的总量与电阻值R1成比例。这是发明人通过实验发现的。图7中的曲线图通过使用空气容积Va(Va1、Va2、Va3)作为参数，示出热交换部件中的温度和电阻R1的变化之间的关系。这里Va1＜Va2＜Va3。
因此，在这种情况下，当电阻R1和电阻R2失去平衡时，所计算的电压V1和V2也失去平衡。
接下去在步骤460时，确定热电元件模块30是否正常工作。如果热电元件模块30工作正常，则在步骤470，确定电压V1和电压V2之间差的绝对值是否不小于预定值X。这里，预定值X是通过考虑比如热电元件12、13中元件自身的变化和热电元件对12、13中温度的变化的因素而确定的。
继而，当在步骤470确定电压V1和电压V2之间的差(绝对值)小于预定值X时，则确定没有出现异常，并在步骤480继续执行正常的控制。这里，如果电压V1和电压V2之间的差(绝对值)不小于预定值X，则确定发生异常，并首先在步骤490将标记设置为NG，然后在步骤500停止端子24a和24b之间的电流通路。这就是说，在步骤500，加于端子24a和24b之间的电流停止，鼓风机50继续工作。
这样，控制鼓风机50，使其继续工作，但也可以控制鼓风机50，使其只继续工作一段预定时间，然后再停止工作。当发生异常，并且鼓风机50和热电元件模块30停止时，过冲(overshoot)会导致热电元件12、13周围的温度升高。然而，可以通过采取上述措施(即通过鼓风机50继续工作)来阻止温度的上升。
此外，为了防止错误的判定，可以如下构成在步骤470的判定如果在第一判定中确定出现了异常，程序回到步骤440，并控制执行几次从步骤440到步骤470的处理，然后确定出现异常。
采用上述控制，能够通过各个端子24a、24b和24c之间的电压V1和V2失去平衡的事实，检测热电元件12、13中的异常热量产生的故障。因此，即使不使用复杂的构造，也能在早期阶段检测热电元件12、13中的故障。
由于多种故障模式，可能导致电阻R1和R2中的上述改变。所述多种故障模式不仅包括异常热量产生，还包括鼓风机50的故障引起的过滤器阻塞和空气容积减小、吸入温度的改变和电源电压的改变。通过使用各个端子24a、24b和24c之间的电压作为确定值的简单结构，能够在早期阶段检测热电元件12、13中的故障。
由于能够在早期阶段检测热电元件12、13中的故障，所以能够在热交换构件25旁的框架构件28被融化，从而导致有害的气味之前，或者在框架构件28损坏之前的早期阶段，就阻止热电元件12、13中的故障。
当使用热电元件模块30的座位式空调设备在空气冷却模式下工作，并且热电元件12、13发生故障时，能够控制鼓风机50驱散潮湿感，从而使鼓风机50继续工作。
上文描述的第一实施例中的热电式换能器具有电功率输入端子24a、电功率输出端子24b和布置于电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间并用以检测该位置处的电势能的中间端子24c。此外，热电式换能器具有控制装置40，根据在把电功率加给电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间时，由各个端子24a、24b和24c的电势信息确定的各个端子24a、24b和24c之间的电压，控制装置40控制热电元件模块30。
据此，通过监测各个端子24a、24b和24c之间的电压，能够检测热电元件12、13中的故障。比如，若出现异常，则各个端子24a、24b和24c之间的电压失去平衡。因此，即使不使用复杂的构造，也能在早期阶段检测热电元件12、13中的故障。
中间端子24c被布置在预定位置处，在这样的位置，各个端子24a、24b和24c之间的电压几乎彼此相等。热电元件模块30受外部因素(如电源电压、空气容积和周围的温度)的影响而改变。
然而，当把中间端子24c设置于热电元件模块30的中间位置时，外部因素(如电源电源电压、空气容积和周围的温度)对热电元件模块30中两个分开的模块具有相同的影响。因此，可以略去这些外部因素对两个分开的模块造成的变化，从而能够正确地确定热电元件12、13中的故障。
当各个端子24a、24b和24c之间电压差的绝对值不小于预定值时，控制装置40停止电流流过热电元件模块30。由此，在热交换构件25旁的框架构件28被热融而引发有害气味之前或者框架构件28损坏之前的早期阶段，控制装置40就能够停止电流流过热电元件12、13。
此外，热电元件模块30与鼓风机50联合用作装配在车辆中的冷却设备或加热设备。当各个端子24a、24b和24c之间的电压差的绝对值不小于预定值时，控制装置40停止电流流过热电元件模块30，并使鼓风机50继续工作。
据此，当热电元件12、13出现故障时，如果鼓风机50和热电元件模块30都停止，则过冲会导致热电元件12、13周围的温度上升。然而，能够通过鼓风机50继续工作而阻止该温度的上升。
此外，比如在车辆的冷却设备中，座位式空调设备用于从车辆座位中的空气出口2吹出冷气，当热电元件12、13出现故障时，吹出空气而不是冷气，相比于鼓风机50停止的情况，可以更好地驱散潮湿感。
(第二实施例)在上述第一实施例中，将中间端子24c放置在电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间大约为中点的位置处。然而，所述中间端子24c的位置不限与此，可以在适合的位置处布置三个中间端子24c，而将电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的距离分为几个四分之一份。
这样，如果热电元件12、13工作正常，预定电压V0＝V1+V2+V3+V4，并且电压V1≌电压V2≌电压V3≌电压V4。据此，各个端子24a、24b和24c之间的电阻值受元件自身特性的变化、风速分布的变化和温度分布的变化的影响，改变很大。然而，能够通过布置三个中间端子24c，以减小各端子24a、24b和24c之间的电压的变化。由此，能够提高各个端子24a、24b和24c之间的电压的精确度。
(第三实施例)在上述实施例中，将所述热电式换能器用于座位式空调设备，在所述座位式空调设备中，在座位部分1b中设置一个加热设备5，座位式空调设备中把经加热和冷却空气调节的空气吹出到与靠背部件1a侧上的空气出口2相通的第一管道3a，以及与座位部分1b侧上的空气出口2相通的第二管道3b。然而，本发明可以应用于座位部分1b和靠背部件1a中设置有多个加热/冷却装置5，并且使经空气调节后的空气从空气出口2吹出的座位式空调设备。
换句话说，本实施例是在使用多个热电元件模块30情况下，用于座位式空调设备和异常性测量控制工具的例子，这将根据图9-14予以描述。图9是表示将多个加热/冷却装置布置在座位1中的一般结构的示意图。图10的电路图表示控制装置40和多个热电元件模块30的电路。图11是表示控制装置40的控制过程的流程图。
图12的曲线图表示目标空气冷却容量与热电元件30及鼓风机50的负荷比之间的关系。图13是表示热电元件驱动构件42的开启/关闭时序和电压检测构件的A/D转换时序的时序图。此外，图14是表示一种改型的热电元件驱动构件42的开启/关闭时序和电压检测构件的A/D转换时序的时序图。
如图9所示，本实施例的热电式换能器包括座位1，具有靠背部件1a和底座部件1b；多个(如两个)加热/冷却装置5，布置在底座部件1b和靠背部件1a形成的空间4中；以及控制装置40，作为多个加热/冷却装置5的控制构件。
例如，将所述热电式换能器构造成，用以通过使用一个控制装置40而控制两个热电元件模块30和两个鼓风机50。因此，如图10所示，为两个热电模块30提供与一个热电元件模块30的电功率输入侧相连的电功率输入端子24a，；与另一个热电元件模块30的电功率输出侧相连的电功率输入端子24b；以及中间端子24c，放置在电功率输入端子24a和电功率输入端子24b之间的两个或多个位置，用于检测这些位置的电势。这些端子24a、24b和24c与控制装置40电连接。
换句话说，使两个热电电子元件模块30以串联的方式电连接，并以如下方式布置中间端子24c，即如果两个热电电子元件模块30正常工作，则预定电压V0＝V1+V2+V3+V4，并且电压V1≌电压V2≌电压V3≌电压V4。这里，如图10所示，电压V1是端子24a和24b之间的电压差的绝对值，电压V2、V3是相邻端子24c和24c之间的电压差的绝对值，电压V4是端子24c和24b之间的电压差的绝对值。
在这些各个端子24a、24b和24c中，电功率输入端子24a与设置于控制装置40中的热电元件驱动构件42相连。两个鼓风机50与两个鼓风机驱动构件43相连，两个鼓风机驱动构件43布置在控制装置40中，这将在下面分别予以说明。
本实施例中的控制装置40包括计算机计算电路41；热电元件驱动构件42，用于驱动热电元件模块30；以及鼓风机驱动构件43，用于驱动鼓风机50。各个端子24a、24b和24c以及各个温度传感器7、8的输出端子7a、8a与计算电路41相连。
计算电路41根据比如用户使用操作面板(未示出)设置的设定温度之类的设置信息，确定目标空气冷却容量，并根据图12所示的目标冷却容量与热电元件模块30及鼓风机50的负荷比之间的关系，计算热电元件模块30和鼓风机50的指示值的负荷比。
此外，来自各个端子24a、24b和24c的电势信息和来自端子7a、8a的温度信息经过A/D转换并被输入到计算电路41。热电元件驱动构件42设备和鼓风机驱动构件43作为器件，每一个都包括FET和电流检测电路，并且根据计算电路41算得的指示值，分别输出热电元件模块30和鼓风机50通过PWM控制而工作的负荷比。
这里，热电元件驱动构件42根据负荷比，输出加给电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的电压；鼓风机驱动构件43根据负荷比，输出转数。
具有上述构造的本实施例中的控制装置40完成异常性测量控制装置的任务，用于根据来自各个端子24a、24b和24c的电势信息，控制热电元件模块30和鼓风机50。这种异常性测量控制手段是图11所示的流程图，将在下文根据该流程图予以说明。
当把电功率输入到冷却/加热设备5时，启动异常性测量控制装置的控制处理。在步骤410时，实行初始化。在步骤421，读取用户从操作面板(未示出)设置的设定信息。这里，可以按如下方式构成异常性测量控制工具，即输入来自用于装配在车辆中的空调设备的空调控制装置(未示出)的指示值作为目标空气冷却容量。
在步骤423，计算珀耳帖负荷比(模块30的负荷比)和鼓风机的负荷比(风扇的负荷比)。具体地说，根据图12所示目标空气冷却容量与热电元件模块30及鼓风机50的负荷比之间的关系，计算得到热电元件模块30和鼓风机50的指示值的负荷比。之后，确定加给电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的预定电压，以及鼓风机50的转数。
在步骤424，热电元件驱动构件42和鼓风机驱动构件43输出负荷比。具体地说，比如，输出40Hz作为珀耳帖负荷，并输出200Hz作为鼓风机负荷。之后，以预定转数驱动鼓风机50，并将预定电压加给电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间，以驱动热电元件模块30。
在步骤431，对温度传感器7、8测得的温度信息进行监测。这里，比如若来自热吸收侧热交换部分25b的珀耳帖温度并不高于第一预定温度(如15℃)，车辆用户的腰部部分和臀部部分过于凉爽，因此程序继续进到步骤500a，停止端子24a和24b之间流过的电流。
如果来自热交换部分25b的珀耳帖温度并不低于比第一预定温度高的第二预定温度(例如70℃)，则热电元件12、13的温度会因某些原因(如移动所引发的追踪现象导致产生热量)而上升，因此，程序进到步骤500a，从而停止流过端子24a和24b之间的电流。这里，如果珀耳帖温度不低于15℃，或者不高于70℃，程序进行到步骤432。这就是说，如果珀耳帖温度在第一预定温度和第二预定温度之间，则程序进到步骤432。
在步骤432，对设置在热电元件驱动构件42上的电流检测电路(未示出)测得的驱动电流进行监测。例如，确定电流检测电路测得的驱动电流是否不小于预定值(如5A)。这里，如果驱动电流不小于该预定值(如5A)，则程序进到步骤500a，从而停止流过端子24a和24b之间的电流。之后，可以检测到热电元件模块30中诸如短路故障，或者受到腐蚀的导线所导致的短路故障。
这里，如果驱动电流不大于预定值(如5A)，则程序进到步骤440，读取各个端子24a、24b和24c的电势信息V0、V1和V2。这里，各个端子24a、24b和24c的电势信息V0、V1和V2经A/D转换，之后再被读取。
由于珀耳帖负荷比由热电元件驱动构件42被输出到热电元件模块30，因此，如图13所示，按照开启/关闭时序，输出加给电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的电压。因此，作为可取的做法是，在A/D转换中，与开启时刻同步测得的电压被输出给电功率输入端子24a。
由于图13所示的珀耳帖负荷比是50％，热电元件驱动构件42连续输出开启的时长较长。然而，当珀耳帖负荷比小于50％，并且使用转换速度慢的A/D转换，则因在电压稳定前所经历的时间变得更短，从而不能及时进行A/D转换。
这样，如图14所示，可以构建热电元件驱动构件42，使之周期性地产生预定开启时间，代替使用珀耳帖负荷比，并利用开启时间对A/D转换的时序进行同步。除此之外，可以预先设置珀耳帖负荷比的最小值为预定值(如10％)或更大，以避免输出较小的珀耳帖负荷比。步骤440的控制处理对应于电压检测构件。
在步骤450，计算各个端子24a、24b和24c之间的电压。具体地说，计算电功率输入端子24a和中间端子24c之间的电压V1、中间端子24c和中间端子24c之间的电压V2、中间端子24c和中间端子24c之间的电压V3、中间端子和电功率输出端子24b中间的电压V4，以及电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的电压V0。
接下去在步骤470a，确定(电压V1+电压V2)/电压V0的绝对值是否在0.45至0.55范围内。这里，把要加给两个热电元件模块30的电压比率的绝对值与预定值比较。这里，在假定所要加给的电压比率的绝对值彼此相等，并不小于预定值的情况下，确定空气没有吹出，因为一个热电元件模块30出现故障，或者一个空气吹出系统出现某些异常(如发生过滤器堵塞或管道脱离)。
当(电压V1+电压V2)/电压V0的绝对值不在0.45至0.55范围内时，确定为出现异常，程序进到步骤500a，停止流过端子24a和24b之间的电流。如果在步骤470a并没有出现异常，则在步骤470b，确定电压V1/(电压V1+电压V2)的绝对值是否在0.45至0.55内范围。这一步骤是用于确定放置在底座部件1b中的热电元件模块30中发生故障的方法。
这里，电压V1和电压V2之间的比率通常接近等于1。然而，比如在热电元件12、13中出现的微裂缝导致故障时，该电压比率变得不小于预定值。由此，而能够发现底座部件1b上的热电元件模块30中的故障。
在步骤470b，如果电压V1/(电压V1+电压V2)的绝对值不在0.45至0.55范围内，则出现异常，并且程序进到步骤500a，使流过端子24a和24b之间的电流停止。如果在步骤470b时并未出现异常，则在步骤470c确定电压V3/(电压V3+电压V4)的绝对值是否在0.45至0.55范围内。这一步骤是用于确定放置在靠背部件1a上的热电元件模块30中出现故障的方法。正如步骤470b那样，电压V3和电压V4之间的比率接近等于1。然而，比如在热电元件12、13中出现的微裂缝导致故障时，该电压比率变为不小于预定值。由此，能够发现靠背部件1a上的热电元件模块30中的故障。同样地，当电压V3/(电压V3+电压V4)的绝对值不在0.45至0.55范围内时，控制过程进到步骤500a。
在步骤500a，流过端子24a和24b之间的电流停止，但鼓风机50继续工作。此外，可将鼓风机负荷比设定为100％，从而以最大转数驱动鼓风机。如果出现异常，从而停止鼓风机50和热电元件模块30，过冲使热电元件12、13周围的温度升高。然而，在本实施例中，能够通过使鼓风机50继续工作，而停止该温度的上升。
根据上述控制过程，当各个端子24a、24b和24c之间的电压失去平衡时，能够检测到由热电元件12、13中异常的热量产生而导致的故障。例如，当各个端子24a、24b和24c之间的电压的关系不在预定范围内时，能够检测到由热电元件12、13中异常的热量产生而导致的故障。因此，即使不使用复杂的构造，也能在早期阶段检测热电元件12、13中的故障。
此外，在上述第三实施例的热电式换能器中，根据对通过热电元件驱动构件42改变脉宽开启和关闭之间比率的控制，驱动热电元件模块30。因此，当热电元件模块30开启时，能够监测各个端子24a、24b和24c之间的电压。
此外，在热电元件驱动构件42开始向热电元件模块30提供电功率，并且经过预定时间之后，控制电路40通过电压检测构件440检测各端子24a、24b和24c之间的电压。因此，在驱动热电元件模块30之后，电压检测构件440能够在较早的阶段，而且是更加准确地检测热电元件模块30和热电元件12、13中的故障。
例如，在热电元件驱动构件42的频率较快，并且对电压检测构件440所测得的电压进行A/D转换处理较慢的情况下，在电压稳定之间所经过的时间变短，因此，A/D转换的时序不及时。即使在这种情况下，控制装置40也按预定时间，周期性地控制热电元件驱动构件42，从而能够利用热电元件驱动构件42输出的开启时序正确地同步A/D转换的时序。
(其它实施例)虽然已经参照附图以及本发明的优选实施例对本发明进行了全面的描述，但要注意的是，对于本领域中的技术人员来说，各种改型和修改都将会变得显而易见。
例如，在上述第一实施例中，把一个中间端子24c设置在电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的位置处。在上述第二实施例中，将三个中间端子24c布置在电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的位置。然而，中间端子24c的数目并不限与此，可将多个(两个或更多)中间端子设置在电功率输入端子24a和电功率输出端子24b之间的位置。
可以理解的是，这些改型和修改都在所附权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种热电式换能器，包括热电元件模块(30)，所述热电元件模块(30)中布置有多对P型和N型热电元件(12、13)，并且所有热电元件(12、13)以串联方式电连接，其中，所述热电元件模块包括用于输入电功率的第一端子(24a)，与热电元件(12、13)的电功率输入侧相连，用于输出电功率的第二端子(24b)，与热电元件(12、13)的电功率输出侧相连，以及第三端子(24c)，布置在第一端子(24a)和第二端子(24b)之间的一个位置或多个位置处，并用于检测所述一个位置或多个位置的电势；以及控制装置(40)，在把电功率加给第一端子(24a)和第二端子(24b)之间时，根据来自各端子(24a、24b、24c)的电势确定的各端子(24a、24b、24c)之间的电压控制热电元件模块(30)。
2.根据权利要求1所述的热电式换能器，其中在第一和第二端子之间的多个位置处布置多个第三端子；以及控制装置根据第一端子、第二端子和第三端子之间的电压控制热电元件模块。
3.根据权利要求2所述的热电式换能器，其中，布置第三端子，使得在热电元件模块正常工作时，第一、第二和第三端子中相邻的端子之间的电压近似相等。
4.一种热电式换能器，包括多个热电元件模块(30)，每个热电元件模块(30)包括以串联方式电连接的多对P型和N型热电元件(12、13)，其中，所述多个热电元件模块(30)以串联方式电连接；用于输入电功率的第一端子(24a)，与一个热电元件模块(30)的电功率输入侧相连；用于输出电功率的第二端子(24b)，与另一热电元件模块(30)的电功率输出侧相连；第三端子(24c)，布置在第一端子(24a)与第二端子(24b)之间的一个位置或多个位置处，并用于检测所述一个位置或多个位置的电势；以及控制装置(40)，在将电功率加于第一端子(24a)和第二端子(24b)之间时，根据由各端子(24a、24b、24c)的电势确定的各端子(24a、24b、24c)之间的电压控制热电元件模块(30)。
5.根据权利要求4所述的热电式换能器，其中将多个第三端子布置在第一端子和第二端子之间的多个位置处；以及控制装置根据第一端子、第二端子和第三端子之间的电压控制热电元件模块。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热电式换能器，其中，所述第三端子(24c)被布置在第一和第三端子(24a、24c)之间的电压与第二和第三端子(24b、24c)之间的电压近似相等的位置处。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的热电式换能器，其中，在各端子(24a、24b、24c)之间的电压差大于预定值时，控制装置(40)停止流过热电元件模块(30)的电流。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的热电式换能器，其中控制装置(40)包括热电元件驱动构件(42)，所述热电元件驱动构件(42)用于通过PWM控制，以驱动热电元件模块(30)；以及电压检测构件(440)，用于检测各个端子(24a、24b、24c)之间的电压；以及控制装置以如下方式控制热电元件驱动构件(42)和电压检测构件(440)，即在热电元件驱动构件(42)驱动热电元件模块(30)时，电压检测构件(440)在同一时刻同步地检测各个端子(24a、24b、24c)之间的电压。
9.根据权利要求8所述的热电式换能器，其中，在热电元件驱动构件(42)开始向热电元件模块(30)提供电功率并且经过预定时间之后，所述电压检测构件(440)检测各个端子(24a、24b、24c)之间的电压。
10.根据权利要求8所述的热电式换能器，其中，所述控制装置(40)以如下方式控制热电元件驱动构件(42)，即热电元件驱动构件(42)按预定时间周期性地工作。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的热电式换能器，其中所述热电元件模块(30)用作与车辆的鼓风机(50)一同装配于车辆中的冷却/加热装置中的热源；以及当各个端子(24a、24b、24c)之间的电压差大于预定值时，控制装置(40)停止流过热电元件模块(30)的电流，而鼓风机(50)继续工作。
全文摘要
一种热电式换能器，包括热电元件模块(30)，热电元件模块(30)中布置的多对P型和N型热电元件(12、13)以串联方式电连接。热电元件模块包括第一端子(24a)，与热电元件(12、13)中的电功率输入侧相连；第二端子(24b)，与热电元件(12、13)中的电功率输出侧相连；以及第三端子(24c)，布置在第一端子(24a)和第二端子(24b)之间的一个位置或多个位置，用于检测所述一个位置或多个位置的电势。控制装置(40)，在将电功率加于第一端子(24a)与第二端子(24b)之间时，根据由各端子(24a、24b、24c)的电势确定的各端子(24a、24b、24c)间的电压控制热电元件模块(30)。
文档编号H01L35/28GK1956233SQ200610159268
公开日2007年5月2日 申请日期2006年9月25日 优先权日2005年10月27日
发明者伊藤裕司, 新美康彦 申请人:株式会社电装