CN110573230A - 基于热电装置的空气过滤监测 - Google Patents

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CN110573230A CN201880027246.4A CN201880027246A CN110573230A CN 110573230 A CN110573230 A CN 110573230A CN 201880027246 A CN201880027246 A CN 201880027246A CN 110573230 A CN110573230 A CN 110573230A
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Abstract

本发明提供用于监测空气过滤器状态的系统和方法。提供一个或多个热电传感器，该热电传感器具有邻近空气过滤器的入口表面定位的上游感测表面以及邻近空气过滤器的出口表面定位的下游感测表面。感测电路连接到热电传感器，被构造成接收来自热电传感器的信号并且处理该信号以获得空气过滤器的状态信息。

Description

基于热电装置的空气过滤监测
技术领域
本公开涉及用于基于热电装置监测空气过滤的系统和方法。
背景技术
空气过滤器广泛用于加热炉、独立空气净化器等。空气通过过滤器汲取，并且过滤器捕集颗粒，从而防止它们前进通过管道。空气过滤器随时间推移可能失效或堵塞，并且需要更换。
发明内容
需要监测空气过滤器的状态以便确定更换或修复空气过滤器的恰当时间。本公开提供用于基于热电装置监测空气过滤的系统和方法。
在一个方面，本公开描述一种空气过滤设备，该空气过滤设备包括具有入口表面和出口表面的空气过滤器。空气过滤器被构造成过滤从入口表面至出口表面流经其中的空气。一个或多个热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面。上游感测表面定位成邻近空气过滤器的入口表面，并且下游感测表面定位成邻近空气过滤器的出口表面。感测电路连接到一个或多个热电传感器，被构造成接收来自该热电传感器的信号并且处理该信号以获得该空气过滤器的状态信息。
在另一个方面，本公开描述一种空气过滤设备，该空气过滤设备包括具有入口表面和出口表面的空气过滤器。空气过滤器被构造成过滤从入口表面至出口表面流经其中的空气。第一热电传感器具有上游感测表面，并且第二热电传感器具有下游感测表面。上游感测表面定位成邻近空气过滤器的入口表面，并且下游感测表面定位成邻近空气过滤器的出口表面。感测电路连接到第一热电传感器和第二热电传感器，被构造成接收来自该热电传感器的信号并且处理该信号以获得该空气过滤器的状态信息。
在另一个方面，本公开描述一种空气过滤设备，该空气过滤设备包括具有入口表面和出口表面的空气过滤器。空气过滤器被构造成过滤从入口表面至出口表面流经其中的空气。热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面。上游感测表面定位成邻近空气过滤器的入口表面，并且下游感测表面定位成邻近空气过滤器的出口表面。感测电路连接到热电传感器，被构造成接收来自该热电传感器的信号并且处理该信号以获得该空气过滤器的状态信息。
在另一方面，本公开描述一种获得空气过滤器的状态信息的方法。该方法包括提供具有上游感测表面和下游感测表面的一个或多个热电传感器。上游感测表面定位成邻近空气过滤器的入口表面，并且下游感测表面定位成邻近空气过滤器的出口表面。该方法还包括通过热电传感器获得表示邻近入口表面的上游位置和邻近出口表面的下游位置之间的气流特性的差值的温度相关信息，并且通过感测电路处理温度相关信息以获得空气过滤器的状态信息。
在本公开的示例性实施方案中获取各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是可实时监测空气过滤器的状态。这通过应用一个或多个热电传感器来检测空气过滤器的上游侧和下游侧处的气流特性来实现。在一些实施方案中，传感器可以低成本制造，可随空气过滤器一起处置。
已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更全面地理解本公开，其中：
图1示出了根据一个实施方案的空气过滤设备的示意图。
图2A示出了根据一个实施方案的空气过滤传感器的顶视图。
图2B示出了根据一个实施方案的热电传感器的侧面透视图。
图2C示出了根据一个实施方案的图2A的空气过滤传感器的剖视图。
图3A示出了根据一个实施方案的包括图2A的空气过滤传感器的空气过滤设备的侧面透视图。
图3B示出了图3A的空气过滤设备的剖视图。
图3C示出了根据另一个实施方案的包括图2A的空气过滤传感器的空气过滤设备的剖视图。
图4A示出了根据一个实施方案的热电传感器的测量曲线。
图4B示出了根据另一个实施方案的热电传感器的测量曲线。
图5A示出了根据一个实施方案的包括热电偶传感器的空气过滤设备的剖视图。
图5B示出了根据另一个实施方案的包括热电传感器的空气过滤设备的剖视图。
图6为根据一个实施方案的用于获得空气过滤器的状态信息的方法的流程图。
图7A为根据一个实施方案的包括加热元件的热电传感器的剖视图。
图7B示出了用于“干净”空气过滤器的图7A的热电传感器的测量曲线。
图7C示出了用于堵塞的空气过滤器的图7A的热电传感器的测量曲线。
图8为根据一个实施方案的包括共面热电电极和加热器电极的热电传感器的剖视图。
图9A为根据一个实施方案的图8的具有共面热电电极和加热器电极的图案的热电传感器的顶视图。
图9B为根据另一个实施方案的图8的具有共面热电电极和加热器电极的图案的热电传感器的顶视图。
图9C为根据另一个实施方案的图8的具有共面热电电极和加热器电极的图案的热电传感器的顶视图。
图10A为根据一个实施方案的空气过滤传感器的框图。
图10B为根据另一个实施方案的无线空气过滤传感器的框图。
在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其它实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其它修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
本公开提供用于基于热电装置监测空气过滤的系统和方法。在一些实施方案中，可实时监测空气过滤器的状态。这通过应用一个或多个热电传感器来检测空气过滤器的上游侧和下游侧处的气流特性来实现。在一些实施方案中，传感器可以低成本制造，可随空气过滤器一起处置。
图1示出了根据一个实施方案的空气过滤设备100的示意图。过滤设备100包括空气过滤器10和空气过滤传感器20，空气过滤传感器20附接到空气过滤器10以获得空气过滤器10的状态信息。空气过滤器10包括过滤介质15、入口表面或上游面12、以及出口表面或下游面14。过滤介质15可过滤从入口表面12至出口表面14穿过其的气流。过滤介质15可具有由任选的外周框架(例如，图3A中的框架11)围绕的其周边16。在一些实施方案中，过滤介质可通过从框架移除过滤介质并且用新的或再调节的过滤介质更换过滤介质来更换。在一些实施方案中，过滤介质15可以是自支撑的而没有框架。
过滤介质15可包括任何合适的一种或多种吸附剂并且表现出吸附剂功能。过滤介质15可随时间推移变得失效或阻塞。过滤介质的此类阻塞可通过上游气流特性和下游气流特性来反映。例如，前气流1可具有比后气流3相对更高的速度/密度，并且前气流1和后气流3之间的速度/密度差值可随着过滤介质15的阻塞增加而增大。
空气过滤传感器20包括邻近空气过滤器10的入口表面12定位的第一热电传感器22和邻近空气过滤器10的出口表面14定位的第二热电传感器24。空气过滤传感器20可例如由如图3A-C所示的悬挂结构支撑，该悬挂结构将在下文进一步描述。
第一热电传感器22具有上游感测表面222，上游感测表面222被构造成与前气流1进行热接触和热交换，使得第一热电传感器22可生成表示前气流特性(速度、密度等)的第一电信号。第二热电传感器24具有下游感测表面242，下游感测表面242被构造成与后气流3热接触和热交换，使得第二热电传感器24可生成表示后气流特性(速度、密度等)的第二电信号。
在图1的所描绘的实施方案中，上游感测表面222面向前气流1，并且下游感测表面242面向后气流3。应当理解，气流的总体方向可根据空气过滤器的配置而变化；感测表面(例如，222和242)的取向可相应地调整以通过气流在相应的感测表面处优化热耗散。
本文所述的热电传感器可包括可表现出热电效应(例如，热能转换为电能，反之亦然)的任何合适的热电元件、模块或它们的组合。示例性热电元件可包括例如n型半导体、p型半导体、热电偶等。在图1的所描绘的实施方案中，第一热电传感器22通过生成电压差值ΔVF来测量其前表面222和后表面224之间的温度梯度；第二热电传感器24通过生成电压差值ΔVB来测量其前表面242和后表面244之间的温度梯度。应当理解，热电传感器可生成任何合适的电信号，例如电压、电流等。这些电信号包含表示上游位置处的上游气流特性和下游位置处的下游气流特性之间的差值的温度相关信息。
空气过滤传感器20可包括功能性地连接到第一热电传感器22和第二热电传感器24的感测电路(图1中未示出)。感测电路可接收来自热电传感器的信号，并且处理这些信号以获得反映前气流1和后气流3的特性(例如，速度、密度等)之间的差值的温度相关信息，其继而反映空气过滤介质15的阻塞状态。
空气过滤传感器20包括上游感测表面222和下游感测表面242，上游感测表面222和下游感测表面242被构造成同时测量空气过滤器10的上游位置和下游位置处的气流特性(例如，速度、密度等)。上游位置和下游位置之间的差值可反映空气过滤器10的空气过滤介质15的阻塞状态。
图2A示出了根据一个实施方案的空气过滤传感器20′的顶视图。空气过滤传感器20′包括第一热电传感器22和第二热电传感器24，以及由基板30支撑的感测电路26。感测电路26通过连接器21和23电连接到第一热电传感器22和第二热电传感器24。第一热电传感器22和第二热电传感器24设置在基板30的相对的两端部32和34上。感测电路26设置在第一热电传感器22和第二热电传感器24之间，并且由基板30的偏心部分36支撑。
在一些实施方案中，热电传感器22和24可通过集成由热电材料制成的热电元件或模块来形成。在一些情况下，热电元件或模块可被直接地印刷或分配到基板上。在一些实施方案中，热电元件或模块通过印刷为糊剂形式的热电材料来形成。在一些实施方案中，可形成非常薄的热电元件或模块，其厚度在例如0.01至0.10mm的范围内。在一些实施方案中，热电传感器22和24可通过将可商购获得的热电元件或模块(例如热电固体芯片)集成到基板上来形成。
基板30具有分别将第一热电传感器22和第二热电传感器24连接到感测电路26的第一部分33和第二部分35。第一部分33和第二部分35是能够弯曲的，使得第一热电传感器22和第二热电传感器24可相对于彼此面向，如图3A所示。在一些实施方案中，基板30可以是由任何合适的材料(例如聚乙烯、聚丙烯、纤维素等)制成的柔性基板。
图2B示出了根据一个实施方案的可用于形成图2A的热电传感器22或24的示例性热电模块100A的侧面透视图。热电模块100A包括基板110、多个热电元件120、第一组连接器130和第二组连接器140。在所描绘的实施方案中，热电元件120包括p型热电元件122和n型热电元件124。在一些实施方案中，热电元件120可通过将热电材料设置(例如，印刷，分配等)到基板110上来形成。在一些实施方案中，热电元件120可以热电固体芯片的形式提供。p型热电元件122可由p型半导体材料(例如Sb2Te3或其合金)制成。n型热电元件124可由n型半导体材料(例如Bi2Te3或其合金)制成。在美国专利申请号62/353，752(Lee等人)中描述了示例性热电传感器模块及其制造和使用方法，该专利申请以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，基板110可为柔性的。基板110具有第一基板表面111和与第一基板表面111相对的第二基板表面112。第一组连接器130设置在第一基板表面111上；第二组连接器140设置在第二基板表面112上。热电元件120设置在第一组连接器和第二组连接器之间并且具有连接到相应连接器的相对的两端部。第一基板表面111或第二基板表面112可暴露于气流下，与气流进行热接触和热交换。在一些实施方案中，任选的导热粘合剂层150可设置在第二基板表面112上以增强热交换。应当理解，可使用任何合适的技术来增强气流和第一基板表面111和第二基板表面112中的一者之间的热交换。
图2C示出了图2A的空气过滤传感器20′的剖视图。第一热电传感器22和第二热电传感器24各自可包括热电模块，诸如图2B的热电模块100A。在一些实施方案中，空气过滤传感器20′可具有第一热电传感器22的表面222和第二热电传感器24的表面242分别作为第一感测表面和第二感测表面。第一热电传感器22可在第一感测表面222上具有第一组导体130以暴露于气流(诸如图1的前气流1)下，与前气流1进行热接触和热交换。第二热电传感器24可在第二感测表面242上具有第二组导体140以暴露于气流(诸如图1的后气流3)下，与后气流3进行热接触和热交换。
在一些实施方案中，与相应的感测表面(例如，传感器22的感测表面222和传感器24的感测表面242)相对的热电传感器22和24的表面(例如，传感器22的表面224和传感器24的表面244)可与周围的气流热绝缘。例如，第一热电传感器22可具有其表面224，表面224被封装以防止与前气流进行热交换；第二热电传感器24可具有其表面244，表面244被封装以防止与后气流进行热交换。
在一些实施方案中，第一热电传感器22和第二热电传感器24各自可包括加热元件，该加热元件设置成加热与感测表面相对的表面。例如，第一热电传感器22可包括加热元件以加热与第一感测表面222相对的表面224；第二热电传感器24可包括加热元件以加热与第二感测表面242相对的表面244。任何合适的加热元件可用于加热相应的传感器表面。
图3A示出了根据一个实施方案的包括图2A的空气过滤传感器20′的空气过滤设备100的侧面透视图。图3B示出了图3A的空气过滤设备100的剖视图。空气过滤器10包括用于保持过滤介质15的框架11。空气过滤传感器20′附接到框架11。空气过滤传感器20′的基板30沿着部分33和35弯曲以形成悬挂结构，使得第一热电传感器22和第二热电传感器24可使它们相应的感测表面暴露于前气流1或后气流3下。
空气过滤传感器20′可以任何合适的方式安装到框架11。在一些实施方案中，基板30的支撑感测电路26的部分可通过粘合剂附接到框架11。在一些实施方案中，空气过滤传感器20′可通过夹紧机构安装到框架11。
在图3B的所描绘的实施方案中，基板30具有偏心部分36以支撑感测电路。偏心部分36附接到空气过滤器10的框架11，使得第一热电传感器22和第二热电传感器24被定位成相对于过滤器外周16偏置，例如L2＞L1。偏置位置可允许第二热电传感器24不被第一热电传感器22阻挡，并且因此可更准确地测量后空气特性。
图3C示出了根据另一个实施方案的包括图2A的空气过滤传感器20′的空气过滤设备100′的剖视图。空气过滤传感器20′的基板30跨过滤介质15定位，而不是附接到空气过滤器10的外周16。应当理解，空气过滤传感器可定位在空气过滤器的任何位置处，只要(i)上游感测表面定位成邻近空气过滤器的入口表面，使得上游感测表面与前气流进行热接触和热交换；以及(ii)下游感测表面定位成邻近空气过滤器的出口表面，使得下游感测表面与后气流进行热接触和热交换。
图4A-4B示出了根据一个实施方案的本文所述的空气过滤传感器的测量曲线。感测电路(诸如图2A的感测电路26)可从第一热电传感器22和第二热电传感器24接收电压(V)或电流(I)信号。第一热电传感器22和第二热电传感器24各自包括加热元件，该加热元件被构造成加热与感测表面相对的表面。当开启加热操作时，第一传感器和第二传感器两者在电压(V)或电流水平(I)方面均显示上升曲线，之后当在T0处加热关闭时衰减曲线。电压或电流信号可作为时间(T)的函数进行测量。曲线410和420在操作定位成邻近入口表面12的第一传感器22和定位成邻近新空气过滤器的出口表面14的第二传感器24时上升和衰减曲线。随时间的推移，新空气过滤器可能变得失效或阻塞，并且曲线420改变为曲线430，曲线430由定位成邻近用过的空气过滤器的出口表面14的第二传感器24测量。空气过滤器的状态可通过分析曲线410和430来确定。
在一些实施方案中，当安装新空气过滤器时，曲线410和420可由第一传感器22和第二传感器24同时测量。为了监测空气过滤器随时间推移的状态，曲线410和430可在使用空气过滤器期间由第一传感器22和第二传感器24同时测量。应当理解，曲线410可不受空气过滤器状态的影响，但可取决于整个过滤系统的状态(例如，图1的前气流1的改变)。另一方面，来自定位在空气过滤器的下游位置处的第二传感器24的曲线可关于空气过滤器的状态进行改变(例如，用于新空气过滤器的曲线420随时间推移改变为曲线430)。在图4A中，在特定时间(T1或T2)处，曲线410和430之间的电信号水平(V或I)的差值(Δ1或Δ2)可与预设阈值水平进行比较。当差值超过阈值水平时，确定需要更换或修理空气过滤器。在图4B中，在特定电信号水平处，曲线410和430之间的实耗时间的差值(Δ1或Δ2)可与预设阈值水平进行比较。当差值超过阈值水平时，确定需要更换或修理空气过滤器。
图5A示出了根据一个实施方案的包括热电偶传感器40的空气过滤设备200的剖视图。空气过滤设备200包括空气过滤器10和附接到空气过滤器10的热电偶传感器40。热电偶传感器40包括邻近空气过滤器10的入口表面12设置的第一感测表面42和邻近出口表面14设置的第二感测表面44。在所描绘的实施方案中，第一感测表面和第二感测表面各自包括散热器。散热器各自可由导热材料(例如金属、陶瓷等)制成。
热电偶传感器40还包括至少部分地延伸穿过空气过滤器10的过滤介质15的导线43。导线43可包括两个相异的导体，该两个相异的导体串联形成电接线，热连接到相对的散热器42和44。在一些实施方案中，导线43可包括金属或合金对，例如镍铬-镍铝合金对。应当理解，可使用任何合适类型的热电偶。典型的热电偶包括例如E型(镍铬-康铜)、J型(铁-康铜)、K型(镍铬-镍铝合金)、M型(按重量计，82％Ni/18％Mo-99.2％Ni/0.8％Co)、N型(镍铬硅-镍硅)、T型(铜-康铜)、B型(按重量计，70％Pt/30％Rh-94％Pt/6％Rh)、R型(按重量计，87％Pt/13％Rh-Pt)、S型(按重量计，90％Pt/10％Rh-Pt)、C型(按重量计，95％W/5％Re-74％W/26％Re)、D型(按重量计，97％W/3％Re-75％W/25％Re)等。
热电偶传感器40可实时测量第一感测表面42和第二感测表面44之间的温度差值作为电接线处的电压降或电流水平。在所描绘的实施方案中，热电偶传感器40还包括设置用于加热第二散热器44的加热元件46。加热元件46串联连接到导线43。热电偶传感器40连接到包括开关45的感测电路48。当开关45处于位置A时，散热器44可被加热元件46加热。穿过热电偶线43和加热元件46的电流可导致加热元件46生成热量并增加散热器44处的温度。当开关45处于位置B时，热电效应引起的热电偶传感器40的电接线40A和40B处的电压降可由电路48测量。
在所描绘的实施方案中，第一感测表面42设置在空气过滤器10的上游位置处；第二感测表面44设置在空气过滤器10的下游位置处。热电偶传感器40被构造成具有第一感测表面42和第二感测表面44以分别同时测量空气过滤器10的上游位置和下游位置处的气流特性(例如，速度、密度等)。上游位置和下游位置之间的气流特性的差值可反映空气过滤器10的空气过滤介质15的阻塞状态。
图5B示出了根据另一个实施方案的包括热电传感器50的空气过滤设备200′的剖视图。空气过滤设备200′包括空气过滤器10和附接到空气过滤器10的热电传感器50。热电传感器50包括邻近空气过滤器10的入口表面12设置的第一感测表面52和邻近出口表面14设置的第二感测表面54。在所描绘的实施方案中，第一感测表面和第二感测表面各自包括热交换器板。热交换器板52和54各自可由导热材料例如金属、陶瓷等制成。在一些实施方案中，热交换器板可与空气过滤器10形成气密接合。
热电传感器50还包括至少部分地延伸穿过空气过滤器10的过滤介质15的多个热电元件66。热电元件66包括分别由连接器63和65连接的p型热电元件62和n型热电元件64。连接器63和65分别与热交换器板52和54热连接。
p型热电元件62可由p型半导体材料(例如Sb2Te3或其合金)制成。n型热电元件64可由n型半导体材料(例如Bi2Te3或其合金)制成。在一些实施方案中，热电元件66可以热电固体芯片的形式提供。
热电传感器50还包括感测电路70，感测电路70连接到热电元件66，被构造成控制对第一感测表面52和第二感测表面54之间的温度差值作为电接线处的电压降或电流水平的测量。在所描绘的实施方案中，热电传感器50还包括用于给感测电路供电的电池72和设置用于加热第二热交换器板54的任选的加热元件(未示出)。加热元件可附接到第二热交换器板54。
在所描绘的实施方案中，第一感测表面52设置在空气过滤器10的上游位置处；第二感测表面54设置在空气过滤器10的下游位置处。热电传感器50被构造成具有第一感测表面52和第二感测表面54以分别同时测量空气过滤器10的上游位置和下游位置处的气流特性(例如，速度、密度等)。上游位置和下游位置之间的气流特性的差值可反映空气过滤器10的空气过滤介质15的阻塞状态。
图6为根据一个实施方案的用于获得空气过滤器的状态信息的方法600的流程图。方法600可通过本文所述的空气过滤设备中的任一个来实现。在610处，提供具有上游感测表面和下游感测表面的一个或多个热电传感器。上游感测表面定位在空气过滤器的上游位置处，并且下游感测表面定位在空气过滤器的下游位置处。上游感测表面可以为例如图1的第一感测表面222、图5A的第一感测表面42、图5B的第一感测表面52等。下游感测表面可以为例如图1的第二感测表面242、图5A的第二感测表面44、图5B的第二感测表面54等。方法600然后前进至620。
在620处，通过热电传感器获得温度相关信息。温度相关信息可表示上游位置处的上游气流特性(例如，速度、密度等)和下游位置处的下游气流特性之间的差值。热电传感器可以是例如图1的热电传感器22和24、图5A的热电偶40、图5B的热电传感器50等。在一些实施方案中，热电传感器包括第一热电传感器(例如，图1的22)和第二热电传感器(例如，图1的24)。可通过同时测量来自第一热电传感器和第二热电传感器的电输出曲线来获得温度相关信息。在一些实施方案中，热电传感器可通过输出电信号(例如，电压降或电流水平)来测量上游表面和下游表面之间的温度差值。然后方法600前进至630。
在630处，可通过感测电路处理温度相关信息，以获得空气过滤器的状态信息。感测电路可以是例如图2A的感测电路26、图5A的感测电路48、图5B的感测电路70等。在一些实施方案中，温度相关信息可以为来自一个或多个热电传感器的电信号(例如，电压降、电流水平等)。可处理电信号以确定前气流和后气流的特性(例如，速度、密度等)之间的差值，其继而反映空气过滤介质的阻塞状态。
具有加热元件的热电传感器的实施方案
在一些实施方案中，本文所述的热电传感器(例如，图1中的热电传感器22和24)可包括设置在热电传感器的热侧上以加热热侧的一个或多个加热元件。例如，图1中的热电传感器22和24可各自包括加热元件以向其热侧提供恒定热源。例如，第一热电传感器22可包括加热元件以加热与第一感测表面222相对的表面224；第二热电传感器24可包括加热元件以加热与第二感测表面242相对的表面244。
在一些实施方案中，包括加热元件的热电传感器的热侧(例如，传感器22的表面224和传感器24的表面244)可与周围的气流热绝缘。例如，热电传感器22可具有其表面224，表面224被封装以防止与前气流进行热交换；热电传感器24可具有其表面244，表面244被封装以防止与后气流进行热交换。
图7A为根据一个实施方案的包括加热元件320的热电传感器300的示意性剖视图。热电传感器300包括具有相对侧312和314的热电电路310。n型和p型热电元件315的阵列可由相应的电极在侧面312和314处电连接以形成热电电路310。加热元件320邻近热侧314设置。热电传感器300还包括设置在加热元件320和热电模块310的热侧314之间的散热器层330。一个或多个热界面材料322设置在加热元件320和散热器层330之间以及散热器层330和热侧314之间的界面处以均匀地分布热量。热电传感器300可由绝热材料340封装，其中冷侧312暴露于空气中。
在一些实施方案中，加热元件320可具有柔性电路加热器设计。例如，加热元件320可由聚酰亚胺加镀Au的铜线圈迹线制成。在一些实施方案中，加热元件320可具有刚性电路加热器设计。例如，加热元件320可由印刷电路板(PCB)加镀Au的铜线圈迹线制成。应当理解，加热元件320可包括可生成热量的任何合适的加热电路。
在一些实施方案中，散热层330可包括任何合适的导热材料，例如金属或金属合金。例如，散热层330可包括厚度在约100微米至约500微米范围内的铜或铝材料层。在一些实施方案中，热界面材料332可包括一种或多种基于压敏粘合剂(PSA)的材料，例如可从3M公司(美国明尼苏达州圣保罗(Saint Paul，MN，USA))商购获得的导热粘合剂胶带材料。在一些实施方案中，隔热材料340可包括热绝缘材料和电绝缘材料，例如封装剂环氧树脂。可通过任何合适的方法(例如层合、模塑、焊接等)将加热元件320、散热层330和绝热材料340设置在热侧314上。
热电传感器300中的一个或多个可作为空气过滤传感器被施加以获得空气过滤器的状态信息。例如，图1中的第一热电传感器22和第二热电传感器24各自可包括热电传感器300。热电传感器300的冷侧312可分别暴露于前气流1和后气流3下。相应的电压差值ΔVF和ΔVB可通过任何合适的电路测量。图7B-C示出了分别用于清洁的空气过滤器和堵塞的空气过滤器的图7A的热电传感器的电压差值ΔVF和ΔVB的测量曲线。图7B中的电压差值ΔVF和ΔVB针对“干净的”空气过滤器测量；而在图7C中，电压差值ΔVF和ΔVB针对“堵塞的”空气过滤器测量。对于“干净的”空气过滤器，所测得的电压差值ΔVF和ΔVB可基本上相同(例如，ΔVF和ΔVB之间的差值小于约5mV，如图7B所示)。对于“堵塞的”空气过滤器，ΔVF和ΔVB之间的所测量的电压差值可以为大于“干净的”空气过滤器的电压差值的至少2倍、3倍、4倍或5倍(例如，ΔVF和ΔVB之间的差值为约20mV，如图7C所示)。
在一些实施方案中，热电传感器可包括定位在其热侧上，与热电电极共面的加热元件。图8为根据一个实施方案的包括共面热电电极和加热器电极的热电传感器400的示意性剖视图。热电传感器400包括第一柔性基板401、第二柔性基板402、设置在第一柔性基板401和第二柔性基板402之间的热电元件450的阵列、以及用于电连接热电元件450的阵列的第一柔性基板401上的第一组电极412和第二柔性基板402上的第二组电极422。在图8的实施方案中，竖直或通孔导体440(例如，焊料)用于将热电元件450电连接到相应的第一组电极412和第二组电极422。这样，第一柔性基底401和第二柔性基底402以及设置在其上的元件可整合到单个柔性热电装置中。
热电传感器400具有相对的表面402和404，一个是冷表面，而另一个是热表面。加热元件414包括设置在热表面403上，与第一组电极412共面的加热器电极的图案。图9A-C为根据一些实施方案的图8的具有共面热电电极412和加热器电极414的各种图案的热电传感器的顶视图。加热器电极414的图案可被导向设置在第一柔性基板401的外表面上，在第一组电极412旁边并且与第一组电极412共面。当电流穿过加热器电极414时，可将恒定热源提供至热电传感器400的热表面403，这消除了使用另外的散热器或热界面材料的必要性。
第一柔性基板401和第二柔性基板402可由任何合适的材料(例如聚乙烯、聚丙烯、纤维素等)制成。热电元件450可包括p型热电元件和n型热电元件，诸如图2C的p型热电元件122和n型热电元件124。可通过任何合适的方法(例如化学沉积、物理沉积、印刷等)将第一组电极412和第二组电极422设置在相应的基板表面上。电极可包括金属或金属合金，例如铜、铝、银、银浆等。竖直或通孔导体440可通过用合适的导体(例如金属合金(例如，锡-银-铜)焊料、银环氧树脂等)穿过基板填充通孔制成。
热电传感器400中的一个或多个可作为空气过滤传感器被施加以获得空气过滤器的状态信息。例如，图1中的第一热电传感器22和第二热电传感器24各自可以为热电传感器400。在一些实施方案中，第一基板401和第二基板402中的至少一者可沿纵向方向延伸，并且第二热电传感器可在相同的第一基板和/或第二基板上形成。类似地，感测电路或其他电路可在相同的第一基板和/或第二基板上形成以接收和处理来自一个或多个热电传感器400的信号。
在一些实施方案中，热电传感器300或400可定位在空气过滤器的下游以面向图1的后气流3。可测量电压差值ΔVB以指示空气过滤器是否需要更换或清洁。在一些实施方案中，当合适的加热元件(例如，图7A和图8所示的加热元件)设置在下游热电传感器的热侧上以提供恒定热源时，仅来自该热电传感器(即，没有上游热电传感器)的测量结果可足以在过滤器在整个过滤器寿命期间处于受控且相对稳定的环境条件下时提供空气过滤器状态的指示。应当理解，一个或多个风扇可定位在空气过滤器的上游或下游以推动或拉动空气流过空气过滤器。
图10A中描绘的实施方案示出了包括可设置在相同的一个或多个柔性基板501上并且由相同的电源(例如，硬币电池)供电的热电传感器510、感测电路520和微处理器530的空气过滤传感器500。感测电路520连接到热电传感器510，被构造成接收和处理来自热电传感器510的信号。经处理的信号可由微处理器530进一步分析以获得空气过滤器的状态信息。空气过滤传感器500还可包括一个或多个输出元件540，例如LED灯、蜂鸣器等以输出状态信息。
图10B的实施方案示出了包括连接到感测电路520的无线部件550的无线空气过滤传感器500′。热电传感器510、感测电路520和无线部件550可设置在相同的一个或多个柔性基板501上并且由相同的电源(例如，硬币电池)供电。无线部件550可包括(例如)蓝牙低功耗(BLE)部件。无线部件550可无线地连接到移动装置560(例如，智能电话)，以用于在两者间进行数据传输。来自感测电路520的信号可通过无线部件550发送至移动装置560，移动装置560可处理信号以获得空气过滤器的状态信息。空气过滤器的状态信息可通过移动装置560输出。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、性质测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望属性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的数值的有效数位的数量并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下描述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素控制。
示例性实施方案列表
以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案1-16、实施方案17-23、实施方案24-31和实施方案32-40中任一项可组合。
实施方案1是一种空气过滤设备，包括：
空气过滤器，该空气过滤器具有入口表面和出口表面，该空气过滤器被构造成过滤从该入口表面至该出口表面流经其中的空气；
一个或多个热电传感器，该一个或多个热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面，该上游感测表面被定位成邻近该空气过滤器的该入口表面，并且该下游感测表面邻近该空气过滤器的该出口表面定位；和
感测电路，该感测电路连接到该热电传感器，被构造成接收来自该热电传感器的信号并且处理该信号以获得该空气过滤器的状态信息。
实施方案2为根据实施方案1所述的设备，其中该一个或多个热电传感器包括具有该上游感测表面的第一热电传感器和具有该下游感测表面的第二热电传感器。
实施方案3为根据实施方案2所述的设备，其中该第一热电传感器具有背离该空气过滤器的该入口表面的该上游感测表面。
实施方案4为根据实施方案2或3所述的设备，其中该第二热电传感器具有面向该空气过滤器的该出口表面的该下游感测表面。
实施方案5为根据实施方案2-4中任一项所述的设备，其中该第一热电传感器和该第二热电传感器各自具有加热元件，该加热元件被构造成加热该热电传感器的与该感测表面相对的一侧。
实施方案6为根据实施方案2-5中任一项所述的设备，还包括柔性胶带以支撑该第一热电传感器和该第二热电传感器以及该感测电路。
实施方案7为实施方案6所述的设备，其中该第一热电传感器和该第二热电传感器设置在该柔性胶带的相对的两端部上。
实施方案8为实施方案6或7所述的设备，其中该感测电路设置在该第一热电传感器和该第二热电传感器之间。
实施方案9为根据实施方案6-8中任一项所述的设备，其中该柔性基板具有连接该第一热电传感器和该感测电路的第一部分，并且该第一部分是能够弯曲的。
实施方案10为根据实施方案6-9中任一项所述的设备，其中该柔性胶带具有连接该第二热电传感器和该感测电路的第二部分，并且该第二部分是能够弯曲的。
实施方案11为根据实施方案6-10中任一项所述的设备，其中该柔性基板具有用于支撑该感测电路的偏心部分，该偏心部分附接到该空气过滤器的周边，并且该第一热电传感器和该第二热电传感器被定位成偏置。
实施方案12为根据实施方案1所述的设备，其中该一个或多个热电传感器包括具有该上游感测表面、该下游感测表面以及连接该上游感测表面和该下游感测表面的热电元件阵列的热电传感器。
实施方案13为根据实施方案12所述的设备，还包括加热元件，该加热元件被构造成加热该下游感测表面。
实施方案14为根据实施方案12或13所述的设备，其中该热电元件包括串联连接的多个热电偶。
实施方案15为根据实施方案14所述的设备，其中该热电偶包括延伸穿过该空气过滤器的该第一表面和该出口表面的金属线。
实施方案16为根据实施方案2所述的设备，其中该第一热电传感器和该第二热电传感器具有基本上相同的配置。
实施方案17为一种获得空气过滤器的状态信息的方法，该方法包括：
提供一个或多个热电传感器，该一个或多个热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面，该上游感测表面被定位在该空气过滤器的上游位置处，并且该下游感测表面被定位在该空气过滤器的下游位置处；
通过该热电传感器获得表示该上游位置处的上游空气速度和该下游位置处的下游空气速度之间的差值的温度相关信息；以及
通过感测电路处理该温度相关信息以获得该空气过滤器的该状态信息。
实施方案18为根据实施方案17所述的方法，其中提供一个或多个热电传感器包括提供具有该上游感测表面的第一热电传感器和具有该下游感测表面的第二热电传感器。
实施方案19为根据实施方案18所述的方法，其中获得该温度相关信息还包括获得来自该第一热电传感器和来自该第二热电传感器的电信号输出的差值。
实施方案20为根据实施方案18所述的方法，还包括同时从该第一热电传感器获得第一电信号和从该第二热电传感器获得第二电信号。
实施方案21为根据实施方案20所述的方法，还包括获得该第一电信号和该第二电信号之间的差值，以及将该差值与预设阈值进行比较。
实施方案22为根据实施方案17所述的方法，其中提供一个或多个热电传感器包括提供具有该上游感测表面、该下游感测表面以及连接该上游感测表面和该下游感测表面的热电元件阵列的热电传感器。
实施方案23为根据实施方案22所述的方法，其中获得该温度相关信息还包括获得该上游感测表面和该下游感测表面之间的电压差。
实施方案24为根据前述实施方案中的任一项所述的设备或方法，其中该热电传感器中的至少一个包括设置在其热侧上、与暴露的冷侧相对的加热元件。
实施方案25为根据实施方案24所述的设备或方法，还包括设置在该加热元件和该至少一个热电传感器的该热侧之间的加热器散布器，以在其上均匀地分布热量。
实施方案26为根据实施方案25所述的设备或方法，还包括位于该加热器散布器的相对侧上的一种或多种热界面材料。
实施方案27为根据实施方案24-26中任一项所述的设备或方法，还包括隔热层以封装除该暴露的冷侧之外的该至少一个热电传感器。
实施方案28为根据实施方案24所述的设备或方法，其中该加热元件包括加热器电极的图案。
实施方案29为根据实施方案25所述的设备或方法，其中该至少一个热电传感器包括第一柔性基板和设置在该第一柔性基板上的第一组热电电极，并且该加热器电极的该图案设置在该相同的柔性基板上，与该第一组热电电极共面。
实施方案30为根据实施方案29所述的设备或方法，其中该至少一个热电传感器包括第二柔性基板和设置在该第一柔性基板和该第二柔性基板之间的热电元件阵列，设置在该第二柔性基板上的第二组热电电极。
实施方案31为根据实施方案30所述的设备或方法，其中该至少一个热电传感器包括通孔导体以将该第一组热电电极和该第二组热电电极连接到该热电元件。
实施方案32是一种空气过滤设备，包括：
空气过滤器，该空气过滤器具有入口表面和出口表面，该空气过滤器被构造成过滤从该入口表面至该出口表面流经其中的空气；
热电传感器，该热电传感器邻近该空气过滤器的该出口表面设置；和
感测电路，该感测电路连接到该热电传感器，被构造成接收来自该热电传感器的信号并且处理该信号以获得该空气过滤器的状态信息。
实施方案33为根据实施方案32所述的设备，其中该热电传感器包括设置在其热侧上、与暴露的冷侧相对的加热元件。
实施方案34为根据实施方案33所述的设备，还包括设置在该加热元件和该至少一个热电传感器的该热侧之间的加热器散布器，以在其上均匀地分布热量。
实施方案35为根据实施方案34所述的设备，还包括位于该加热器散布器的相对侧上的一种或多种热界面材料。
实施方案36为根据实施方案24-26中任一项所述的设备，还包括隔热层以封装除该暴露的冷侧之外的该至少一个热电传感器。
实施方案37为根据实施方案32所述的设备，其中该加热元件包括加热器电极的图案。
实施方案38为根据实施方案37所述的设备，其中该热电传感器包括第一柔性基板和设置在该第一柔性基板上的第一组热电电极，并且加热器电极的该图案设置在相同的第一柔性基板上，与该第一组热电电极共面。
实施方案39为根据实施方案38所述的设备，其中该至少一个热电传感器包括第二柔性基板和设置在该第一柔性基板和该第二柔性基板之间的热电元件阵列，设置在该第二柔性基板上的第二组热电电极。
实施方案40为根据实施方案39所述的设备，其中该热电传感器包括通孔导体以将该第一组热电电极和该第二组热电电极连接到该热电元件。
整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。
虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的示例性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。
此外，对各种示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其它实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims (31)

1.一种空气过滤设备，包括：
空气过滤器，所述空气过滤器具有入口表面和出口表面，所述空气过滤器被构造成过滤从所述入口表面至所述出口表面流经其中的空气；
一个或多个热电传感器，所述一个或多个热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面，所述上游感测表面被定位成邻近所述空气过滤器的所述入口表面，并且所述下游感测表面被定位成邻近所述空气过滤器的所述出口表面；和
感测电路，所述感测电路连接到所述热电传感器，被构造成接收来自所述热电传感器的信号并且处理所述信号以获得所述空气过滤器的状态信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个热电传感器包括具有所述上游感测表面的第一热电传感器和具有所述下游感测表面的第二热电传感器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一热电传感器具有背离所述空气过滤器的所述入口表面的所述上游感测表面。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第二热电传感器具有面向所述空气过滤器的所述出口表面的所述下游感测表面。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的设备，其中所述第一热电传感器和所述第二热电传感器各自具有加热元件，所述加热元件被构造成加热所述热电传感器的与所述感测表面相对的一侧。
6.根据权利要求2所述的设备，还包括柔性基板以支撑所述第一热电传感器和所述第二热电传感器以及所述感测电路。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一热电传感器和所述第二热电传感器设置在所述柔性基板的相对的两端部上。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述感测电路设置在所述第一热电传感器和所述第二热电传感器之间。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述柔性基板具有连接所述第一热电传感器和所述感测电路的第一部分，并且所述第一部分是能够弯曲的。
10.根据权利要求6所述的设备，其中所述柔性基板具有连接所述第二热电传感器和所述感测电路的第二部分，并且所述第二部分是能够弯曲的。
11.根据权利要求6所述的设备，其中所述柔性基板具有用于支撑所述感测电路的偏心部分，所述偏心部分附接到所述空气过滤器的周边，并且所述第一热电传感器和所述第二热电传感器被定位成偏置。
12.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一热电传感器和所述第二热电传感器具有基本上相同的配置。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个热电传感器包括具有所述上游感测表面、所述下游感测表面以及连接所述上游感测表面和所述下游感测表面的热电元件阵列的热电传感器。
14.根据权利要求13所述的设备，还包括加热元件，所述加热元件被构造成加热所述下游感测表面。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述热电元件包括串联连接的多个热电偶。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述热电偶包括至少部分地延伸穿过所述空气过滤器的导线。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述热电传感器中的至少一个包括设置在其热侧上、与暴露的冷侧相对的加热元件。
18.根据权利要求17所述的设备，还包括设置在所述加热元件和所述至少一个热电传感器的所述热侧之间的加热器散布器，以在其上均匀地分布热量。
19.根据权利要求18所述的设备，还包括位于所述加热器散布器的相对侧上的一种或多种热界面材料。
20.根据权利要求17所述的设备，还包括隔热层以封装除所述暴露的冷侧之外的所述至少一个热电传感器。
21.根据权利要求17所述的设备，其中所述加热元件包括加热器电极的图案。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述至少一个热电传感器包括第一柔性基板和设置在所述第一柔性基板上的第一组热电电极，并且加热器电极的所述图案设置在相同的第一柔性基板上，与所述第一组热电电极共面。
23.根据权利要求21所述的设备，其中所述至少一个热电传感器包括第二柔性基板和设置在所述第一柔性基板和所述第二柔性基板之间的热电元件阵列，设置在所述第二柔性基板上的第二组热电电极。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述至少一个热电传感器包括通孔导体以将所述第一组热电电极和所述第二组热电电极连接到所述热电元件。
25.一种获得空气过滤器的状态信息的方法，所述方法包括：
提供一个或多个热电传感器，所述一个或多个热电传感器具有上游感测表面和下游感测表面，所述上游感测表面被定位在所述空气过滤器的上游位置处，并且所述下游感测表面被定位在所述空气过滤器的下游位置处；
通过所述热电传感器获得表示所述上游位置处的上游气流特性和所述下游位置处的下游气流特性之间的差值的温度相关信息；以及
通过感测电路处理所述温度相关信息以获得所述空气过滤器的所述状态信息。
26.根据权利要求25所述的方法，其中提供一个或多个热电传感器包括提供具有所述上游感测表面的第一热电传感器和具有所述下游感测表面的第二热电传感器。
27.根据权利要求26所述的方法，其中获得所述温度相关信息还包括获得来自所述第一热电传感器和来自所述第二热电传感器的电信号输出的差值。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括同时从所述第一热电传感器获得第一电信号和从所述第二热电传感器获得第二电信号。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括获得所述第一电信号和所述第二电信号之间的差值，以及将所述差值与预设阈值进行比较。
30.根据权利要求25所述的方法，其中提供一个或多个热电传感器包括提供具有所述上游感测表面、所述下游感测表面以及连接所述上游感测表面和所述下游感测表面的热电元件阵列的热电传感器。
31.根据权利要求30所述的方法，其中获得所述温度相关信息还包括获得所述上游感测表面和所述下游感测表面之间的电压差值。
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