CN107710496A - 用于运载工具电池的具有紧固元件隔热特征的热电模块 - Google Patents

用于运载工具电池的具有紧固元件隔热特征的热电模块 Download PDF

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Abstract

一种用于对部件进行热调节的热电模块组件，该热电模块组件包括第一构件和第二构件，第一构件和第二构件被彼此间隔开并且被构造成分别提供冷侧和热侧。绝缘板被布置在第一构件和第二构件之间。热电装置被布置在绝缘板内并且可操作地与第一构件和第二构件接合。紧固元件在组装状态下使第一构件和第二构件关于绝缘板彼此固定。热绝缘件被设置在第一构件和第二构件中的一个中、并且被构造成接收紧固元件。

Description

用于运载工具电池的具有紧固元件隔热特征的热电模块
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年6月10日提交的美国临时专利申请62/173,472号的优先权，该美国临时专利申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于冷却诸如电池的运载工具部件的热电模块。具体而言，本公开涉及在热电模块内用于提高传热效率的隔热特征。
背景技术
锂离子电池用在客用和其它类型的运载工具中以给电动机提供电力，而该电动机给运载工具提供推进力。这种电池会产生大量的热，使得电池必须被冷却以防止性能下降。
已经提出了一种类型的运载工具电池冷却装置，该冷却装置包括被布置在电池下面并且邻近冷板组件的热电模块。该热电模块包括基于珀耳帖效应运行以邻近电池提供冷却的热电装置。通过热电装置传递的热量被排出至冷板组件，该冷板组件可以具有经由其循环并被送到换热器的冷却流体。
期望的是对热电模块进行设计以便通过该热电模块内的一些部件有效地传热，同时使该热电模块内的其它部件绝缘。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于对部件进行热调节的热电模块组件，该组件包括第一构件和第二构件，该第一构件和第二构件被彼此间隔开并且被构造成分别提供冷侧和热侧。绝缘板被布置在第一构件和第二构件之间。热电装置被布置在绝缘板内并且可操作地与第一构件和第二构件接合。紧固元件在组装状态下使第一构件和第二构件关于绝缘板彼此固定。热绝缘件被设置在第一构件和第二构件中的一个中、并且被构造成接收紧固元件。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，第一构件和第二构件是金属的，并且绝缘板是塑料。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，紧固元件是金属的，并且热绝缘件是非金属的。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，第二构件包括支撑热电装置的凸起垫。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热箔被布置在凸起垫和热电装置之间并且与凸起垫和热电装置相接合。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热电装置是珀耳帖装置。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，绝缘板包括开口，并且第二构件包括与开口配合的突起，以使绝缘板和第二构件相对于彼此侧向定位。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，紧固元件是紧固至突起的设有螺纹的内径的螺纹紧固件。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，绝缘板具有围绕热电装置的至少四个分立的突起。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，第一构件和第二构件是第一散热器和第二散热器。第一散热器和第二散热器与绝缘板被彼此固定以构成热电模块组件。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，第一构件提供散热器，并且第二构件提供冷板组件。冷板组件包括冷却通道，冷却通道被构造成接收循环通过冷却通道的冷却剂。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热绝缘件被压配合到第二构件中。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热绝缘件被拧入到第二构件中。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，紧固元件被拧入到热绝缘件中。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，紧固元件被压配合到热绝缘件中。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，在紧固元件和热绝缘件之间的界面提供热电装置上的夹持载荷。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，紧固元件通过热绝缘件与第二构件热隔离。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热绝缘件是与第一构件接合的垫圈。
在上述内容中的任一个的另一实施例中，热绝缘件与绝缘板成一体。
在另一个示例性实施例中，一种绝缘组件，该绝缘组件包括绝缘板，绝缘板包括具有端部的颈部。具有与端部对齐的孔的部件。紧固件被接收在孔中并且被固定至颈部。紧固件被构造成在组装期间使端部塑性变形成与部件接合、并且将部件与紧固件隔离。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可进一步理解本公开，其中：
图1A是运载工具系统温度由冷却系统调节的运载工具的高度示意性的视图。
图1B示出了包括热电模块组件和冷板组件的冷却系统。
图2是热电模块组件的分解透视图。
图3A是安装至散热器的绝缘板的透视图。
图3B是图3A中示出的绝缘板和散热器的透视图，其中热电装置被布置在该绝缘板内。
图4是热电模块组件的透视图。
图5是一种热电模块组件的横截面图。
图6是另一种热电模块组件的横截面图。
图7示出了另一种绝缘装置的示意性的横截面图。
图8至图8D示出了又一种绝缘装置的另一示意性的横截面图。
图9A至图9Z描绘了各种示例性的绝缘体设计。
前述段落、权利要求书或以下描述和附图的包括它们的多个方面或相应的单独特征中的任一个的诸多实施例、示例和替代方案可被单独或以任何组合的方式获取。结合一个实施例描述的特征适用于所有的实施例，除非这些特征是不相容的。
具体实施方式
在图1A中示意性地示出了运载工具10。运载工具10包括需要被加热或者冷却的运载工具系统12。在一个示例中，运载工具系统12包括诸如用于运载工具推进的锂离子电池的电池14，该电池产生大量的热。在运行期间必须对这种电池进行冷却，否则电池效率和/或完整性(健全度)可能降低。
冷却系统18以堆叠的方式布置在电池14和DC/DC转换器16之间以从电池14移走热量，从而冷却运载工具系统12。DC/DC转换器16提供电池14和运载工具电器之间的电气接口。冷却系统18包括安装至冷板组件22的热电模块组件20，该冷板组件22与冷却回路24连通。诸如乙二醇的冷却流体通过冷却回路24内的泵31循环。热量经由冷板组件22排出至通过冷却剂供应管线30和冷却剂返回管线32的冷却剂，该冷却剂供应管线30和冷却剂返回管线32连接至换热器26。例如，可使用风扇或鼓风机28将热量从换热器26内的冷却剂移出到周围环境。
控制器34与运载工具10、运载工具系统12以及冷却系统18的各个部件通信以协调电池冷却。传感器和输出(未示出)可以被连接至控制器34。
在图1B中更详细地示出了示例性的冷却系统18。热电模块组件20包括支撑电池14的表面36的冷侧38。绝缘板50承载热电装置(在图2中以58示出)、并将冷侧38(在电池14处)与热侧40(在冷板组件22处)隔开。
冷板组件22包括第一冷板42和第二冷板44，第一冷板42和第二冷板44被彼此固定以围住流体通道(以43示意性地示出)的网络，流体通道使冷却剂跨越冷板组件22流通以接收从热侧40排出的热量。可以在热电模块组件20和冷板组件22之间设置密封件41。经加热的冷却剂被传送至换热器26，换热器26可以远离该堆叠定位。
参考图2，更详细地示出了示例性的热电模块组件20。冷侧38和热侧40分别由诸如第一散热器46和第二散热器48的第一构件和第二构件提供。绝缘板50由塑料构造，第一散热器46和第二散热器48由金属构造，一旦绝缘板50、第一散热器46和第二散热器48被组装成能够固定至冷板组件22的单个单元，绝缘板50被夹在第一散热器46和第二散热器48之间。
绝缘板50包括孔口52，热电装置54布置在孔口52内。在该示例中，热电装置利用珀耳帖效应提供邻近第一散热器46的冷侧以及邻近第二散热器48的热侧。
绝缘板50包括接收热电模块组件20的热电装置54的导线61的形成导线通道60。在该示例中，三个珀耳帖装置彼此串联地导线连接。
空隙62的阵列设置在绝缘板50中以减小绝缘板50的热质量并且提供使第一散热器46和第二散热器48相对彼此绝缘的空气间隙。空隙62可以是任何合适的尺寸、形状或图案。空隙可以是相对于绝缘板50(如图所示)的厚度的深凹部，或者可以延伸贯穿绝缘板50。
第二散热器48包括朝着绝缘板50向上延伸以支撑热电装置54的凸起垫64。如图6所示并且如下面描述的，可以取消第二散热器48，并且可以将热电装置54直接安装至冷板组件22。返回到图2，为了热效率，可以在热电装置54与第一散热器46及第二散热器48之间设置热箔66以确保这些部件之间的充分接合。
参考图2及图3A至图3B，绝缘板50包括定位器68，定位器68可以是开口。可以在例如第二散热器48上设置突起70以在组装期间相对于第二散热器48定位绝缘板50。在该示例中，紧固件74延伸穿过第一散热器46中的孔以固定第一散热器46和第二散热器48与绝缘板50的堆叠。突起70没有延伸到第一散热器46，使得期望的夹持载荷可以被施加至热电装置54。紧固件74被拧紧至预定扭矩，以在热电装置54上提供期望的夹持载荷。
紧固件74是金属的，其可以在第一散热器46和第二散热器48之间形成热短路，这会显著降低热电模块组件20的热效率。参考图4和图5，由诸如塑料的非金属材料构造的热绝缘件86例如被布置在第二散热器48内，以将紧固件74与第二散热器48热隔离。热绝缘件86可以被压入或拧入到突起70中。紧固件74被拧入到热绝缘件86的设有螺纹的内径中以将第一散热器46和第二散热器48彼此夹紧，但是也可以使用压配合紧固件。
如图6所示，可以取消第二散热器48，并且第一散热器46可以被固定至冷板组件22。在该示例中，热绝缘件86安装在第一冷板42内，第一冷板42提供突起170和垫164。
参考图7，在散热器46和紧固件74的头部之间设置诸如塑料垫圈的热绝缘件186。在图8所示的示例中，热绝缘件286可以通过颈部91而与绝缘板50集成。如图8A至图8D所示，在组装期间，紧固件74的头部使热绝缘件的颈部91的端部变形。当紧固件74被插入到颈部91中时，颈部91的端部向外扩展，该端部形成垫圈状热绝缘件286。与图7所示的实施例相比，在该实施例中没有使用单独的垫圈。而是将垫圈集成到绝缘板50以减少部件的数量并简化组装。
图9A至图9Z描绘了各种示例性的热绝缘件/垫圈装置，图9A至图9Z大体上示出了与被在图8至图8D中示出及上面描述的示例类似的实施例。每张附图的左侧示出了紧固件被插入和变形前的颈部。每张附图的右侧示出了塑性变形以提供整体的热绝缘件/垫圈的颈部。在一些示例中，为了清楚起见而省略了紧固件。
在图9B至图9D所示的实施例中，在颈部的端部设置狭槽以提供指部，该指部使得端部在紧固件插入时能够更加准确地打开，由此需要更小的力。使用环形凹口94来限定在颈部的端部处形成垫圈的位置。图9D包括更佳地承受旋拧过程的扭矩的成角度的狭槽。
图9E和图9F分别提供了在顶部(图9E)或者底部(图9F)的颈部和螺钉之间的过盈配合。
图9G描绘了具有凹口94的冠状构型。面向内的斜坡部具有角度β并且被设置在端部的内径处。端部在打开时被设置成角度α。由于紧固件径向向外压迫端部，因此角度α限定了斜面(chamfer)或锥面(taper)，并且角度β限定了热绝缘件的打开特性。
图9H和图9I示出了一种装置，在该装置中颈部具有形成易破坏连接(frangibleconnection)的环形凹槽96。在组装期间由紧固件的头部施加至颈部的内径的扭矩将在环形凹槽96处将端部从颈部剪开。
在图9J所示的实施例中使用多种材料。在一个示例中，材料A被包覆模制到材料B上。例如，材料B可以比材料A更容易塑性变形。根据需要，材料A和材料B也可以是3D打印的。
在图9K所示的示例中，端部以角度α向内渐缩以提供内径A，内径A尺寸被设计为在最终组装前锁住(capture)紧固件。当紧固件被拧入到散热器或冷板中时，端部打开。
图9M中的热绝缘件具有从颈部到端部大体上变化的横截面壁厚。端部提供相对于散热器的绝热功能，并且因此对于该部分来说较厚的塑料更为理想。较薄的颈部可节省材料，并从而降低成本和减轻重量。在图9N中，颈部的顶部和底部可以在紧固件被插入到热绝缘件期间塑性变形。
在图8至图9N中已经示出了大体上圆筒形或截头圆锥形的形状。然而，应该理解到，可以使用例如多边形的其它形状，多边形例如为方形(图9O)。
可能需要在组装期间控制碎屑进入到热电模块组件的内部。可以在颈部的一端或两端处使用壁98来提供密封部。在组装期间，壁98被紧固件刺穿。
在图9Q和图9R所示的示例中，颈部可以被工具100夹住以形成凹部102，凹部102可以用作端部的接合点、易破坏连接部或用于组装的定位特征。
如图9S所示，多个热绝缘件386通过易破坏连接部96连接至结构106的底端以提供子组件104。浇注件(sprues)105将结构106互连成框架并提供间距，该间距对应于在组装时将热电模块组件固定在一起的紧固件74(参见图2)的间距。在组装期间，紧固件74被接收在每个结构106中，并且紧固件被拧入到散热器或冷板中，这将热绝缘件386与它们相应的结构106剪开。随后，可以丢弃子组件104的剩余部分108。
图9T示出了可用于使颈部的端部变形的非圆锥形紧固件头部。如图9U所示，可以在组装前使用细夹具110将紧固件保持到颈部。如结合上面描述的实施例所解释的，颈部的端部在拧紧紧固件时从直径A扩展至直径B。
如图9V所示，可以使用两级式紧固装置。第一紧固件74将绝缘板50固定至第二散热器48，并且第二紧固件74将第一散热器46固定至绝缘板50。这种装置可以提供改进的热绝缘。
如图9W所示，可以在紧固件74和颈部111之间设置金属线圈插入件112。通过这种方式，颈部的相对脆弱的塑料螺纹在组装期间不会被金属紧固件74损坏。
图9X示出了与图9P和图9S的装置类似的装置。结构106以所需的间隔成列地彼此连接。设有底壁98，该底壁98在组装期间被紧固件刺穿。当紧固件74被拧紧时，壁98被紧固件74分离，并且结构106和列的其余部分被丢弃。
图9Y类似于图9X，其中颈部成列地连接。如上述实施例中所描述的，可以使用任何数量的紧固件类型来将第一散热器46固定至绝缘板50并使端部变形。
提供球形端部116，其被成形为当紧固件74从大于端部的壁厚的两倍的距离D拧紧时促进端部的弯曲。因此，当被组装时，紧固件头部下面的绝缘厚度有效地增加了一倍，而端部的初始直径相对小。
应该理解的到，图8A至图9Z所示的装置可以被用于紧固印刷电路板或其它非热电装置和/或使印刷电路板或其它非热电装置热绝缘、电绝缘或机械绝缘。这些装置在形成于组装期间的接头连接部(例如螺钉、螺栓、铆钉)上形成绝缘层。多个垫圈、间隔件或者螺钉/螺栓/铆钉头部绝缘件可以被结合在单个零件/框架和组装步骤中。所公开的设计允许螺钉/螺栓/铆钉在绝缘体上无需锥形头部而自定心。
在运行时，控制器34检测到不期望的电池温度。热电装置50被供电以产生热电装置54的冷侧，该冷侧被传递到邻近电池14的第一散热器46以增大这些部件之间的温度差、并增大这些部件之间的传热。来自电池的热量被从第一散热器46通过热电装置54传递至第二散热器48。然而，绝缘板50用于防止热量从第一散热器46传输至第二散热器48。热绝缘件86进一步防止第一散热器和第二散热器之间的不期望的传热。第二散热器48将热量排放到冷板组件22内的冷却剂。冷却剂从冷板组件22循环至换热器26，该换热器26将热量排放到周围环境中，并且可以通过使用鼓风机28来增大该传热速率。
还应该明白的是，尽管在所示实施例中公开了一种特定部件布置结构，其它布置结构将由此获益。尽管示出、描述和要求保护特定的步骤序列，但应该明白的是，多个步骤可以单独的或组合的任何顺序实施，除非另有说明，并且仍将受益于本发明。
尽管不同的示例具有插图中所示的特定部件，但本发明的实施例并不限于那些特定组合。以与来自另一示例的特征或部件相结合的方式使用来自一个示例的部件或特征中的一些是可能的。
尽管已经公开了示例性的实施例，但是本领域的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。为此，应当研究以下权利要求来确定其真正的范围和内容。

Claims (20)

1.一种用于对部件进行热调节的热电模块组件，所述热电模块组件包括：
第一构件和第二构件，所述第一构件和所述第二构件被彼此间隔开并且被构造成分别提供冷侧和热侧；
被布置在所述第一构件和所述第二构件之间的绝缘板；
被布置在所述绝缘板内并且可操作地与所述第一构件和所述第二构件接合的热电装置；
紧固元件，所述紧固元件在组装状态下使所述第一构件和所述第二构件关于所述绝缘板彼此固定；和
热绝缘件，所述热绝缘件被设置在所述第一构件和所述第二构件中的一个中、并且被构造成接收所述紧固元件。
2.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件是金属的，并且所述绝缘板是塑料。
3.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述紧固元件是金属的，并且所述热绝缘件是非金属的。
4.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述第二构件包括支撑所述热电装置的凸起垫。
5.根据权利要求4所述的热电模块组件，其特征在于，所述热电模块组件包括被布置在所述凸起垫和所述热电装置之间并且与所述凸起垫和所述热电装置相接合的热箔。
6.根据权利要求4所述的热电模块组件，其特征在于，所述热电装置是珀耳帖装置。
7.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述绝缘板包括开口，并且所述第二构件包括与所述开口配合的突起，以使所述绝缘板和所述第二构件相对于彼此侧向定位。
8.根据权利要求7所述的热电模块组件，其特征在于，所述紧固元件是紧固至所述突起的设有螺纹的内径的螺纹紧固件。
9.根据权利要求7所述的热电模块组件，其特征在于，所述绝缘板具有围绕所述热电装置的至少四个分立的突起。
10.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述第一构件和所述第二构件是第一散热器和第二散热器，所述第一散热器和所述第二散热器与所述绝缘板被彼此固定以构成所述热电模块组件。
11.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述第一构件提供散热器，并且所述第二构件提供冷板组件，所述冷板组件包括冷却通道，所述冷却通道被构造成接收循环通过所述冷却通道的冷却剂。
12.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述热绝缘件被压配合到所述第二构件中。
13.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述热绝缘件被拧入到所述第二构件中。
14.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述紧固元件被拧入到所述热绝缘件中。
15.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述紧固元件被压配合到所述热绝缘件中。
16.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，在所述紧固元件和所述热绝缘件之间的界面提供所述热电装置上的夹持载荷。
17.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述紧固元件通过所述热绝缘件与所述第二构件热隔离。
18.根据权利要求1所述的热电模块组件，其特征在于，所述热绝缘件是与所述第一构件接合的垫圈。
19.根据权利要求18所述的热电模块组件，其特征在于，所述热绝缘件与所述绝缘板成一体。
20.一种绝缘组件，包括：
绝缘板，所述绝缘板包括具有端部的颈部；
具有与所述端部对齐的孔的部件；和
紧固件被接收在所述孔中并且被固定至所述颈部，所述紧固件被构造成在组装期间使所述端部塑性变形成与所述部件接合、并且将所述部件与所述紧固件隔离。
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