CN107244273B - 一种基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其包括半导体薄膜调温层(2)、温度传感器(6)、换热单元和控制单元，其中：半导体薄膜调温层(2)有两块，分别固定在座椅的背部和臀部区域；温度传感器(6)布置在半导体薄膜调温层(2)的中部区域内；换热单元装在座椅底部右后方；控制单元装在座椅底部左后方。本发明具有反应迅速，形状多变，体积紧凑，能耗低，无噪音的优点。
Description
技术领域
本发明涉及汽车座椅温度调节技术领域，具体涉及一种基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置。
背景技术
近年来，中国汽车市场发展迅速，人们对汽车的舒适度要求越来越高。汽车上的传统空调系统能在一定程度上改善乘员的乘坐舒适性，但是由于汽车座椅与身体接触的区域无法及时得到有效的加热或者冷却，导致乘员身体的不同部位感受的环境温度有一定差异，不利于乘员的驾乘舒适性。尤其是夏天，车内温度较高，空调系统对整车降温的过程中，因为乘员与座椅接触的区域长时间无法得到有效的冷却，导致乘员背部和臀部的温度仍然较高，乘员必须通过不断调整坐姿来适应环境温度，这不仅影响了乘员的舒适性，更会影响驾乘的安全性。
随着目前热电半导体技术的发展，已经能够制备出厚度为微米级的半导体薄膜材料。这种半导体薄膜材料是基于帕尔贴效应进行工作的，在室温下的制冷温差大约能达到67摄氏度，响应时间为秒级，而且半导体薄膜不受安装空间的限制，安装较为方便，因此在汽车座椅有限的内部空间中能较好地进行快速的温度调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了能对汽车座椅进行迅速合理的温度调节，提供一种基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，以提高乘员的乘坐舒适性。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，包括半导体薄膜调温层、温度传感器、换热单元和控制单元，其中：半导体薄膜调温层有两块，分别固定在座椅的背部和臀部区域；温度传感器布置在半导体薄膜调温层的中部区域内；换热单元装在座椅底部右后方；控制单元装在座椅底部左后方。
每块半导体薄膜调温层由半导体薄膜安装基体和多个的半导体薄膜调温单体组成，其中：每个半导体薄膜调温单体主要分三层，由上到下依次为上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层及上部导热硅脂，半导体薄膜，下部方环形导热硅脂及细铜丝；各个半导体薄膜调温单体内细铜丝引出后与换热单元中的散热器基底相连。
所述换热单元由各个半导体薄膜调温单体内部的细铜丝，散热器基底，水冷头换热设备、小水泵、水箱和水管组成，其中：各个半导体薄膜调温单体内部的细铜丝引出后与散热器基底底部连接，小水泵驱动水箱中的水通过水管流经位于散热器基底上的水冷头换热设备，并循环流动，为散热器基底区域进行换热。
每个半导体薄膜调温单体的下方区域由导热硅胶粘连在半导体薄膜安装基体上，臀部和背部的半导体薄膜调温层分别采用8*8个和7*11个半导体薄膜调温单体均匀分布在制冷或制热区域。
所述的半导体薄膜安装基体由柔性隔热材料聚苯乙烯泡沫制成，材料的隔热性保证换热路线沿铜丝方向，材料的柔性有利于提高乘坐舒适性。
所述的半导体薄膜调温单体，其温度调节器件是半导体薄膜，为半导体薄膜调温单体的第二层；半导体薄膜中部的镂空区域和上部导热硅脂为工作区，半导体薄膜的四周镂空区域为非工作区，工作时，由工作区对座椅进行制冷或制热，同时对非工作区进行换热和隔热以保证工作区的正常工作。
所述的上部导热硅脂通过导热硅胶与半导体薄膜中部的镂空区域的边缘粘连，上部导热硅脂与座椅表皮直接接触，直接向乘员提供热量或冷量；上部导热硅脂四周放置一个方环形聚苯乙烯泡沫隔热层，紧贴半导体薄膜上方，座椅表皮下方，阻止该区域的热量或者冷量向座椅表面传递；上部导热硅脂和方环形聚苯乙烯泡沫隔热层构成半导体薄膜调温单体的第一层；处于非工作区的半导体薄膜部分的下方涂有一层方环形的导热硅脂，导热层中部埋有成方形的细铜丝；下部方环形导热硅脂和细铜丝构成半导体薄膜调温单体的第三层，用于对非工作区换热。
所述的半导体薄膜近似于方环形，并对其局部进行了镂空处理，包括镂空区域和四周镂空区域，减小热旁路对温差建立过程的影响；上部导热硅脂的外廓比半导体薄膜中部的镂空区域稍大，便于上部导热硅脂与薄膜中部的镂空区域的边缘粘接；上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层则与薄膜的电极材料相接触，保温隔热的同时，也起到了一定的保护作用。
在下部方环形导热硅脂的下部加装几个小型风机，并将上部导热硅脂做成多孔的形式，以实现座椅通风的功能。
所述控制单元由单片机和位于半导体薄膜调温层中部的温度传感器组成，其中：温度传感器位于座椅中的半导体薄膜调温层的中部，用于测量驾驶员感受到的温度，然后温度传感器将这个信号传递给控制单元，控制单元与薄膜的电流输入端相连接，其依据输入信号对输入电流的大小进行控制。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的有益效果：
(1)该装置体积紧凑，能实现座椅的背部和臀部区域较大面积的温度调节，降低了人体的坐姿对温度调节装置安装固定位置的要求；
(2)该装置的外形尺寸可依照需要进行设计，能适用于不同类型的座椅，同时满足人体舒适性要求；
(3)该装置中的半导体薄膜调温单体结构紧凑，其数目可以根据需要在座椅内部进行设计，安装简单且可靠；
(4)该装置相比压缩机制冷的方式，无噪声，无污染，设备体积小，成本低，制冷/制热效果好，且设计结构简单；
(5)该装置同时具有制冷和制热的功能，简化了座椅内部的结构，取消了加热座椅用的电阻丝；
(6)由于薄膜式半导体的特性，在对座椅进行温度调节时反应迅速，而且温度分布均匀，能较快地为乘员的背部和臀部区域提供适宜的温度，大大提升了乘坐舒适性。
附图说明
图1是本发明中基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置的结构示意图，图中分别示出了座椅在乘员就坐前未产生形变的情形(a)和就坐后产生形变的情形(b)。
图2是本发明半导体薄膜调温层示意图，图中分别示出臀部的半导体薄膜调温层示意图c)和背部的半导体薄膜调温层示意图d)。
图3是本发明半导体薄膜调温单体的结构示意图。图中分别示出半导体薄膜调温单体的轴测图e)和剖面图f)。
图4是本发明所采用的半导体薄膜结构示意图。
图5是本发明中放置于半导体薄膜与座椅表皮之间的导热层和隔热层的示意图。
图6是本发明中放置于半导体薄膜下部的方环形导热层及其内部的细铜丝的结构示意图。
图中：1.座椅表皮，2.半导体薄膜调温层，3.细铜丝，4.散热器基底，5.水冷头换热设备，6.温度传感器，7.上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层，8.下部方环形导热硅脂，9.上部导热硅脂，10.半导体薄膜，11.半导体薄膜调温单体，12.半导体薄膜安装基体，13.电极材料，14.镂空区域，15.薄膜基底，16.四周镂空区域，17.热电臂。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，如图1至图6所示，包括半导体薄膜调温层2、温度传感器6、换热单元和控制单元。
所述半导体薄膜调温层2有两块，分别固定在座椅的背部和臀部区域。每块半导体薄膜调温层2由半导体薄膜安装基体12和一定数目的半导体薄膜调温单体11组成。半导体薄膜调温层2的外廓即为半导体薄膜安装基体12的外廓，可依据使用需要任意设计；半导体薄膜调温单体11为柔性小方块，布置于柔性的半导体薄膜安装基体12上。其中半导体薄膜调温单体11主要分三层，由上到下依次为上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层7及上部导热硅脂9、半导体薄膜10、下部方环形导热硅脂8及细铜丝3。各个半导体薄膜调温单体11内细铜丝3引出后与换热装置中的散热器基底4相连.
所述换热单元装在座椅底部右后方，其由各个半导体薄膜调温单体内部的细铜丝3，散热器基底4，水冷头换热设备5、小水泵、水箱和水管组成，其中：各个半导体薄膜调温单体内部的细铜丝3引出后与散热器基底4底部连接，小水泵驱动水箱中的水通过水管流经水冷头换热设备5，并循环流动，为散热器基底4区域进行换热。
散热器基底4上装有一个水冷头换热设备5，然后一个小水泵驱动座椅底部的水箱内的水进行循环流动，为散热器进行加热或冷却。
所述温度传感器6布置在座椅表皮1下部的半导体薄膜调温层2中部区域。
进一步地，如图2所示，半导体薄膜调温单体11的下方区域由导热硅胶粘连在半导体薄膜安装基体12上，臀部和背部的半导体薄膜调温层2分别采用8*8个和7*11个半导体薄膜调温单体11均匀分布在制冷(制热)区域。
进一步地，半导体薄膜安装基体12采用柔性隔热材料聚苯乙烯泡沫制成，材料的隔热性保证换热路线沿铜丝方向，材料的柔性有利于提高乘坐舒适性。
进一步地，如图3所示，半导体薄膜调温单体11其温度调节器件是半导体薄膜10，为半导体薄膜调温单体11的第二层。半导体薄膜10中部的镂空区域14和上部导热硅脂9为工作区，半导体薄膜10的四周镂空区域16为非工作区。工作时，由工作区对座椅进行制冷或制热，同时对非工作区进行换热和隔热以保证工作区的正常工作。
进一步地，如图1和图3所示，上部导热硅脂9通过导热硅胶与半导体薄膜10中部的镂空区域14的边缘粘连，上部导热硅脂9与座椅表皮1直接接触，直接向乘员提供热量或冷量。上部导热硅脂9四周放置一个方环形聚苯乙烯泡沫隔热层7，紧贴半导体薄膜10上方，座椅表皮1下方，阻止该区域的热量或者冷量向座椅表面1传递；上部导热硅脂9和方环形聚苯乙烯泡沫隔热层7构成半导体薄膜调温单体11的第一层。处于非工作区的半导体薄膜部分的下方涂有一层方环形的导热硅脂8，导热层中部埋有成方形的细铜丝3。下部方环形导热硅脂8和细铜丝3构成半导体薄膜调温单体11的第三层，用于对非工作区换热。
进一步地，如图4所示，半导体薄膜10近似于方环形，并对其局部进行了镂空处理。图4中的镂空区域14和四周镂空区域16，减小热旁路对温差建立过程的影响。然后，上部导热硅脂9的外廓比半导体薄膜10中部的镂空区域14稍大，便于上部导热硅脂9与薄膜中部的镂空区域14的边缘粘接。而上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层7则与薄膜10的电极材料13相接触，保温隔热的同时，也起到了一定的保护作用。薄膜基底15采用的导电良好的铜箔，热电臂17采用的是碲化铋材料。
进一步地，各个半导体薄膜调温单体11内的细铜丝3均从单体下部引出，埋在半导体薄膜安装基体12上方的导热硅胶中，然后从该层导热硅胶中引出一根导热良好的铜管，引出的铜管直接连在散热器基底上。如此，处于非工作区的半导体薄膜部分的温度基本和散热器4的表面温度一致。散热器基底上装有一个水冷头，然后一个小水泵驱动座椅底部的水箱进行循环流动，为散热器进行加热或冷却，保证薄膜工作区的正常工作。
进一步地，半导体薄膜调温层2和温度传感器6的供电由车载蓄电池提供。两个温度传感器6分别埋在背部和臀部的中部的工作区域的导热层内部，用于测量座椅表面温度；控制单元根据温度传感器的信号，对背部及臀部的座椅区域内的半导体薄膜调温单体按照进行开关控制，进而控制总的制冷量或制热量。在开启温度调节的初期，所有的半导体薄膜调温单体均工作，然后随着座椅表面温度的变化，控制装置根据传感器信号关闭部分单体的工作电流，只保留部分单体进行制冷(或制热)，进一步降低能耗，同时保证良好的舒适性。而且，由于半导体薄膜自身的特性，通入其中的电流改变方向时，薄膜的工作区就能在制冷和制热的模式间进行切换。
在本例中，以座椅的臀部区域为例，在该装置工作的初期，所有的单体均工作，随着座椅表面温度的变化，控制装置逐渐关闭部分单体的电流。先是关闭最外侧的两列单体(第1与第8列)的电流，再随着温度进一步变化就关闭中间两列单体(第4和第5列)的电流，然后就是关闭次外侧的单体(第2与第7列)的电流，最后当温度达到阈值的(夏季是17℃，冬季是22℃)时候，所有的单体均关闭。当温度在逐渐恢复时，控制系统控制单体逐渐开启。同理，背部的半导体薄膜调温层的控制也是按照类似的过程进行。
除了上述控制的实现形式外，还可以采用另一种方式。同样以座椅的臀部区域为例，在该装置工作的初期，所有的单体均工作，随着座椅表面温度的变化，控制装置逐渐关闭部分单体的电流。先是关闭最外围的一圈单体的电流，再随着温度进一步变化就关闭正中间一圈单体的电流，然后就是关闭次外围一圈单体的电流，最后当温度达到阈值的(夏季是17℃，冬季是22℃)时候，所有的单体均关闭。同理，背部的半导体薄膜调温层的控制也是按照类似的过程进行。
除上述实施例之外，如果在下部方环形导热硅脂8的下部加装几个小型风机，并将上部导热硅脂9做成多孔的形式，便可以实现座椅通风的功能。此种实施例相对前述实施例而言，改动较小，显然也应该在本发明的保护范围之内。
所述控制单元装在座椅底部左后方，依据制冷和制热模式下人体最舒适的温度，结合温度传感器的信号进行调温，满足驾驶舒适性需求。该控制单元由单片机和位于半导体薄膜调温层2中部的温度传感器6组成，其中：温度传感器6位于座椅中的半导体薄膜调温层2的中部，用于测量驾驶员感受到的温度，然后温度传感器6将这个信号传递给控制单元，控制单元与薄膜的电流输入端相连接，其依据输入信号对输入电流的大小进行控制。
本发明装置具有制冷(制热)迅速，形状多变，体积紧凑，能耗低的优点。根据目前的薄膜式半导体材料的制备已经能够满足定制化需求，在室温下最大制冷温差可达67℃，制冷功率密度仅为5～10W/cm2，响应时间为秒级。针对本发明中采用的薄膜式半导体装置，因为采用的柔性导热和隔热材料，舒适性与普通的座椅相差不大，但是其在制冷时能相较传统的温控座椅能在数十秒内将温度下降至合适的区间，有着制冷迅速的优点。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是包括半导体薄膜调温层(2)、温度传感器(6)、换热单元和控制单元，其中：半导体薄膜调温层(2)有两块，分别固定在座椅的背部和臀部区域；温度传感器(6)布置在半导体薄膜调温层(2)的中部区域内；换热单元装在座椅底部右后方；控制单元装在座椅底部左后方；
所述换热单元由各个半导体薄膜调温单体(11)内部的细铜丝(3)，散热器基底(4)，水冷头换热设备(5)、小水泵、水箱和水管组成，其中：各个半导体薄膜调温单体(11)内部的细铜丝(3)引出后与散热器基底(4)底部连接，小水泵驱动水箱中的水通过水管流经位于散热器基底(4)上的水冷头换热设备(5)，并循环流动，为散热器基底(4)区域进行换热。
2.根据权利要求1所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是每块半导体薄膜调温层(2)由半导体薄膜安装基体(12)和多个的半导体薄膜调温单体(11)组成，其中：每个半导体薄膜调温单体(11)主要分三层，由上到下依次为上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层(7)及上部导热硅脂(9)，半导体薄膜(10)，下部方环形导热硅脂(8)及细铜丝(3)；各个半导体薄膜调温单体(11)内细铜丝(3)引出后与换热单元中的散热器基底(4)相连。
3.根据权利要求2所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是每个半导体薄膜调温单体(11)的下方区域由导热硅胶粘连在半导体薄膜安装基体(12)上，臀部和背部的半导体薄膜调温层(2)分别采用8*8个和7*11个半导体薄膜调温单体(11)均匀分布在制冷或制热区域。
4.根据权利要求2所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是半导体薄膜安装基体(12)由柔性隔热材料聚苯乙烯泡沫制成，材料的隔热性保证换热路线沿铜丝方向，材料的柔性有利于提高乘坐舒适性。
5.根据权利要求2所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是所述的半导体薄膜调温单体(11)，其温度调节器件是半导体薄膜(10)，为半导体薄膜调温单体(11)的第二层；半导体薄膜(10)中部的镂空区域(14)和上部导热硅脂(9)为工作区，半导体薄膜(10)的四周镂空区域(16)为非工作区，工作时，由工作区对座椅进行制冷或制热，同时对非工作区进行换热和隔热以保证工作区的正常工作。
6.根据权利要求5所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是上部导热硅脂(9)通过导热硅胶与半导体薄膜(10)中部的镂空区域(14)的边缘粘连，上部导热硅脂(9)与座椅表皮(1)直接接触，直接向乘员提供热量或冷量；上部导热硅脂(9)四周放置一个方环形聚苯乙烯泡沫隔热层(7)，紧贴半导体薄膜(10)上方，座椅表皮(1)下方，阻止由半导体薄膜(10)上方和座椅表皮(1)下方构成的区域中的热量或者冷量向座椅表皮(1)传递；上部导热硅脂(9)和方环形聚苯乙烯泡沫隔热层(7)构成半导体薄膜调温单体(11)的第一层；处于非工作区的半导体薄膜部分的下方涂有一层方环形的导热硅脂(8)，导热层中部埋有成方形的细铜丝(3)；下部方环形的导热硅脂(8)和细铜丝(3)构成半导体薄膜调温单体(11)的第三层，用于对非工作区换热。
7.根据权利要求5所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是半导体薄膜(10)近似于方环形，并对其局部进行了镂空处理，包括镂空区域(14)和四周镂空区域(16)，减小热旁路对温差建立过程的影响；上部导热硅脂(9)的外廓比半导体薄膜(10)中部的镂空区域(14)稍大，便于上部导热硅脂(9)与薄膜中部的镂空区域(14)的边缘粘接；上部方环形聚苯乙烯泡沫隔热层(7)则与半导体薄膜(10)的电极材料(13)相接触，保温隔热的同时，也起到了一定的保护作用。
8.根据权利要求2所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是在下部方环形的导热硅脂(8)的下部加装几个小型风机，并将上部导热硅脂(9)做成多孔的形式，以实现座椅通风的功能。
9.根据权利要求1所述的基于半导体薄膜的分布式汽车座椅温度调节装置，其特征是所述控制单元由单片机和位于半导体薄膜调温层(2)中部的温度传感器(6)组成，其中：温度传感器(6)位于座椅中的半导体薄膜调温层(2)的中部，用于测量驾驶员感受到的温度，然后温度传感器(6)将这个信号传递给控制单元，控制单元与薄膜的电流输入端相连接，其依据输入信号对输入电流的大小进行控制。
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