CN114251966A - 操作热交换器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作热交换器的方法，热交换器包括顶侧和底侧以及具有热电有源元件的热电装置，该热电有源元件被设计为可通电的以在顶侧与底侧之间产生热流，据此，热电装置利用交流电通电为使得：‑平均第一时段短于平均第二时段，在所述平均第一时段中所述热电有源元件的通电以使得热量从顶侧传输到底侧的方式进行，在所述平均第二时段中所述热电有源元件的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行；或者/以及使得‑平均第一电流低于平均第二电流，在所述平均第一电流中所述热电有源元件的通电以使得热量从顶侧传输到底侧的方式进行，在所述平均第二电流中所述热电有源元件的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种操作热交换器的方法并且涉及一种被设计为用于执行该方法的热交换器。此外，本发明涉及一种具有这种热交换器的车辆座椅。
背景技术
通常，现代机动车辆中的车辆座椅在电加热丝或电加热垫的帮助下被加热，该电加热丝或电加热垫具有合适的电阻抗，使得其将电能转化为热量，该热量在车辆座椅上释放。同样，这种车辆座椅能够配备有包括热电有源元件的所谓的热电表面冷却系统。通过热电有源元件的适当通电，它们承担热交换器的功能，该热交换器将热量从车辆座椅传输到流体能够流过的流体路径。用作冷却剂的流体借助于热交换器来吸收从车辆座椅传递走的热量。这样，能够冷却车辆座椅。
能够想到的是，通过反向电流的热电表面冷却系统被用作附加加热装置，其在相反方向上传输热量，即从流体路径或从流体朝向车辆座椅传输热量。
然而，事实证明不利之处在于，从流体或流体路径中提取热量伴随着对该流体或流体路径的附加冷却，这在极端情况下能够导致流体质量流结冰，并因此导致整个表面冷却系统完全失效。
将用于加热车辆座椅的所述电加热丝或加热垫与用于冷却车辆座椅的热电表面冷却系统相结合的使用仅能够在技术上以较大的努力并因此花费大量成本来实现。此外，为此需要相对较大的安装空间，因为必须安装通常彼此独立操作的两个装置。
发明内容
因此，本发明的目的是创建一种用于操作热交换器的改进方法，该方法处理上述问题或者在其情况下至少部分地、理想地甚至完全消除上述缺点。
该目的通过独立权利要求的主题来解决。优选的实施例是从属权利要求的主题。
因此，本发明的基本思想是利用交流电流给热交换器的热电有源元件通电，使得由热电元件生成并到达底侧的焦耳热通过用作热电热泵的热电有源元件从底侧(即从流体路径)传输到顶侧(即车辆座椅或其座椅表面)，其中该热交换器的顶侧能够热连接到车辆座椅的座椅表面，而热交换器的底侧能够热连接到流体能够流过的流体路径。
以这样的方式，能够通过热量供应来加热顶侧。由于“流”到底侧(即“流”到散热器)的焦耳热借助于热电热泵传输到顶侧，因此没有必要以另一种方式(例如经由例如为空气的合适的冷却介质)排出在底侧产生的焦耳热，因为该任务由热电热泵接管。因此，产生的焦耳热一方面用于加热顶侧，并且另一方面避免了底侧的不期望的冷却(在某些条件下，底侧会因冷凝空气而损坏甚至毁坏)。在理想情况下，到达底侧的全部焦耳热因此从热电热泵“净”泵送到顶侧。
根据本发明，为此建议将交流电流选择成使得平均第一时段短于平均第二时段，在该平均第一时段中，热电有源元件的通电以使得热电有源元件从顶侧排出热量的方式进行，在该平均第二时段中，热电有源元件的通电以使得热电有源元件向顶侧供应热量的方式进行。
替代地或附加地，根据本发明提出平均第一电流小于平均第二电流，在该平均第一电流中热电有源元件的通电以使得热量从顶侧传输到底侧的方式进行，在该平均第二电流中热电有源元件的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行。
由于从底侧向顶侧“净”泵送的热量多于从顶侧向底侧泵送的热量，因此能够在提供电加热功率的同时实现所需的顶侧加热，而底侧的温度保持基本恒定。以这样的方式能够避免底侧温度的低于临界值的不可接受的下降。
借助于本文介绍的方法，热交换器的顶侧的有效加热-并且在该热交换器集成到座椅表面的车辆座椅中时-是可能的，而无需为此目的需要单独的电加热丝或加热垫。特别地，能够使用热电热泵，该热电热泵实际设计为用于冷却车辆座椅的座椅表面，其中热电热泵以常规方式用于将热量从顶侧泵送到底侧并从那里借助于合适的冷却介质(例如空气)从车辆座椅中排出所述热量。
本发明上下文中的术语“顶侧”和“底侧”应理解为当执行根据本发明的方法时热交换器相对于重力方向的优选使用位置。这意味着当执行该方法时，热交换器的顶侧典型地相对于重力方向布置在热交换器的底侧之上。例如，当热交换器布置并使用在机动车辆的车辆座椅中时就是这种情况。然而，以下场景也能够想到并且明确地包括在本发明的保护范围内，其中相对于重力方向的顶侧不布置在底侧之上而是布置在底侧之下。例如，当热交换器布置在机动车辆的顶篷中使得顶侧相对于重力方向向下指向车辆内部时，则可能是这种情况。
根据本发明的方法用于操作包括顶侧和底侧以及具有热电有源元件的热电装置的热交换器。热电装置被设计成可通电以用于在顶侧与底侧之间生成热流。根据该方法，热电装置利用交流电流被通电为使得平均第一时段短于平均第二时段，在平均第一时段中，热电有源元件的通电以使得热量从顶侧传输到底侧的方式进行，在平均第二时段中，热电有源元件的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行；替代地或附加地，利用根据本发明的方法，平均第一电流被选择为低于平均第二电流，在平均第一电流中热电有源元件的通电以使得热量从顶侧传输到底侧的方式进行，在平均第二电流中热电有源元件的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行。
能够使用合适的交流电源以利用交流电流给热电有源元件通电。
根据一个优选实施例，热电有源元件的通电还包括交流电的零值。这意味着通过热电有源元件的电流的中断代替了电流流动。
根据有利的另一改进方案，平均第一时段和平均第二时段或平均第一电流和平均第二电流被确定为使得在交流电流的周期期间内从底侧传递到顶侧的热量对应于从顶侧传输到底侧的热量加上由热电元件生成并输送到底侧的热量。这样，能够在很大程度上或甚至完全避免热交换器底侧上不期望的冷却或温度降低。
特别优选地，平均第一时段和平均第二时段或平均第一电流和平均第二电流被确定为使得热交换器的顶侧的温度收敛于限定的温度极限值。替代地或附加地，该变型中的平均第一时段和平均第二时段或平均第一电流和平均第二电流被确定为使得底侧的温度保持基本恒定。这样，避免了顶侧的过热或车辆座椅的热连接到顶侧的座椅表面的过热。
特别优选地，生成具有预先确定的周期比的交流电流，使得平均第二时段总计为平均第一时段的至少1.5倍，优选为至少两倍并且最大十倍，优选为最大五倍。实验研究表明，在这样的周期比的情况下，能够特别有效地实现热交换器顶侧温度以期望的方式收敛于预先确定的收敛值并保持底侧的温度。
实际地，能够从预先确定的特性曲线中获取周期比。特别地，顶侧和底侧的当前温度以及每个流动方向上的电流幅度能够作为输入量进入该特性曲线中。这样，根据本发明的方法能够有效地适应多种外部方法参数。
实际地，交流电流的交流电流频率为至少1Hz，优选为至少10Hz。这样，能够在很大程度上或甚至完全避免特别是在热交换器顶侧处的不期望的温度波动。
本发明还涉及一种用于对车辆座椅进行温度控制的热交换器。根据本发明的热交换器包括热电装置，该热电装置包括在热交换器的顶侧与底侧之间彼此间隔开布置的多个可通电的热电有源元件。根据本发明的热交换器附加地包括与底侧热连接以供流体流过的流体路径和设计为用于执行根据本发明的方法的控制/调节装置。上面解释的根据本发明的方法的优点因此也适用于根据本发明的热交换器。
特别优选地，热交换器被设计成使得其能够连接到用于在热电装置中生成电流的电源。实际上，该电源能够由控制/调节装置来控制，使得特别是能够生成执行根据本发明的方法所需的交流电流。
根据有利的另一改进方案，用于在通过流体路径传导的流体与热电有源元件之间传递热量的热传递结构布置在热电有源元件与流体路径之间。借助于该措施，能够在很大程度上改进流体路径与热电元件之间的以及因此热交换器的底侧与顶侧之间的热传递。
特别优选地，热电装置能够包括用于电互连热电有源元件的多个电导体桥。以这种方式设计的热电装置在技术上能够特别容易地实现并且因此带来明显的成本优势。
根据有利的另一改进方案，电导体桥包括形成热电装置的冷侧的面向底侧的第一导体桥，以及形成热电装置的暖侧的面向顶侧的第二导体桥。
根据有利的另一改进方案，热电装置包括热电织物或形成为热电织物。该另一改进方案特别适用于将热交换器集成在机动车辆的车辆座椅中。在该另一改进方案的情况下，热电织物能够优选地包括多个第一线，其交替地包括p掺杂和n掺杂的线部分以及布置在其间的导电的第一和第二线部分，其中织物的第一线部分形成热交换器的第一导体桥并且织物的第二线部分形成热交换器的第二导体桥。此外，织物包括形成为优选电绝缘的多个第二线。除此之外，在这种改进方案中，第一线形成织物经线并且第二线形成织物的纬线，或反之亦然。
本发明的其他重要特征和优点可以从从属权利要求、附图以及根据附图的相关附图说明中获得。
应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的并且仍将在下文说明的特征不仅可以以所述的各自组合使用，而且可以以其他组合或者分别使用。
本发明的优选示例性实施例在附图中示出，并且在下文的描述中更详细地说明，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
附图说明
分别示意性地示出：
图1示出了当在第一电流方向上对热交换器的热电元件通电时根据本发明的热交换器的示例，
图2示出了当在与第一电流方向相反的第二电流方向上对热电元件通电时图1的热交换器，
图3a示出了第一电流-时间图，以说明利用交流电流对热电元件通电，
图3b示出了第二电流-时间图，以说明利用交流电流对热电元件通电，
图4示出了温度-时间图，其示出了根据本发明的方法对热电元件通电时热电元件的热交换器的顶侧和底侧上的温度随时间的发展，
图5示出了图1和图2的热交换器的特定技术的实施方式，其中具有热电元件的热电装置由热电织物形成。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于对车辆座椅进行温度控制的热交换器1的一个示例。热交换器1包括热电装置2，该热电装置包括可通电的多个热电有源元件3。串联电连接的元件3能够借助于导电导体桥10彼此有线连接并且由p掺杂和n掺杂材料制成的半导体交替地形成。可能的半导体材料例如是铋以及碲或碲化铋。
根据图1，元件3彼此间隔开地布置在热交换器1的顶侧4与底侧5之间。术语“顶侧”和“底侧”涉及热交换器1的优选使用位置，特别是当其集成在所述车辆座椅中时：在这种情况下，顶侧4面向车辆座椅的座椅表面。当热交换器1集成在其他部件中时，其以使得顶侧4面向待温度控制的表面的方式发生。元件3能够布置在顶侧基板14与底侧基板15之间。两个基板14、15优选地设计为电绝缘的并且特别优选地由具有高导热性的材料构成。
此外，热交换器1包括流体路径6，该流体路径热连接到底侧5并且布置在底侧5上以供流体F流过。流体路径6能够设计作为流体通道并且为此目的例如由合适的管状体16来界定。除此之外，提供控制/调节装置7，其设置/配置为用于执行该方法。具有第一连接8a和第二连接8b的交流电源8用于在热电装置2中生成电流I。为此目的，电源8被设计成能够由控制/调节装置7控制并且两个连接8a、8b电连接到热电有源元件3。
在流体路径6中，能够布置有用于在流过流体路径6的流体F与热电有源元件3之间更有效地传递热量的热传递结构9。
在附图的示例中，流体路径6沿着第一延伸方向E1延伸。第一延伸方向E1是流体F通过流体路径6或通过流体通道的主要流动方向。
实际地，顶侧4和底侧5沿着热交换器1的第二延伸方向E2彼此相对，该第二延伸方向相对于第一延伸方向E1正交地延伸。
热电装置2包括-如已经提到的-用于将热电有源元件3彼此电互连的多个电导体桥10。这些电导体桥10由第一导体桥10a和第二导体桥10b组成，该第一导体桥关于第二延伸方向E2面向底侧5并且第二导体桥10b面向顶侧4。第一导体桥10a能够布置在底侧基板15上。第二导体桥10b能够布置在顶侧基板14上。第一导体桥10a形成热电装置2的冷侧11。第二导体桥10b形成热电绝缘2的暖侧12。
在图1的示例中，热电有源元件3的通电以使得热量(参见箭头W)从热交换器1的顶侧4传输到底侧5的方式进行。这样，顶侧4通过散热被冷却。
与此相比，图2示出了一种场景，其中热电有源元件3的通电以使得热量从热交换器1的底侧5传输到顶侧4的方式进行。这样，顶侧4通过热量供应来被加热。
当执行根据本发明的方法时，热电装置2的热电元件3利用交流电I(t)通电，使得平均第一时段tm1短于平均第二时段tm2，在平均第一时段中，热电有源元件3的通电以使得热量W从顶侧4传输到底侧5的方式进行，在平均第二时段中，热电有源元件3的通电以使得热量W从底侧5传输到顶侧4的方式进行。
平均第一时段tm1和平均第二时段tm2优选地确定为使得在交流电I(t)的周期T期间从底侧5传输到顶侧4的热量基本上对应于从顶侧4传输到底侧5的热量加上由热电有源元件3通过耗散生成的热量(焦耳热)。
在图3a的电流-时间(I-t)图中示例性地再现了对于本发明而言重要的这种交流电流I(t)的周期。值得注意的是，交流电流I(t)具有矩形时间曲线，该矩形时间曲线具有交替的正负电流值+I0或-I0。在相应的周期T内，时段t2是时段t1的三倍大，在时段t2中交流电流I(t)呈现负电流值-I0，在时段t1中交流电流I(t)呈现正值I0。这构成了实现所需的不同平均时段tm1、tm2的技术上容易实现的可能性。对于平均第二时段tm2，得到第一平均时段tm1的三倍值。因此在示例性场景中以1：3的预定周期比生成交流电流I(t)。在示例的变型中也能够设想不同的周期比。图3a中示例性地示出的矩形电流曲线也能够利用其他合适的电流曲线(例如斜坡形曲线、三角形曲线或正弦形曲线)来代替。通过选择至少1：1,5，优选地为1：2至1：10的周期比，确保了在底侧5的基本恒定温度TU的同时对顶侧4进行所期望的加热。优选地选择的周期比能够从存储在控制/调节装置7中的预先确定的特性曲线中得到。实际地，交流电流I的交流电流频率f为至少1Hz，优选地为至少10Hz。因此，由第一时段t1和第二时段t2之和来限定的交流电流I的周期T为最大1s，优选为最大1/10s。
图3b示出了图3a的示例的变型。在图3b的示例中，平均第一电流Im1小于平均第二电流Im2，在该平均第一电流中热电有源元件3的通电以使得热量W从顶侧4传输到底侧5的方式进行，在该平均第二电流中热电有源元件3的通电以使得热量从底侧传输到顶侧的方式进行。类似于图3a的示例，热量W也以这种方式从底侧5传输到顶侧4。值得注意的是，图3b的示例中的交流电流I(t)具有矩形曲线，该矩形曲线带有交替的正负电流值+I1或-I2。在这种情况下，|Im1|＝I1和|Im2|＝I2适用。在此，正电流值I1的量小于第二电流值I2的量，即|Im1|＜|Im2|。
例如，替代于矩形电流曲线，还能够为交流电流I(t)选择正弦形电流曲线，其在图3b中以虚线表示互补地示出。两个电流值+I1和-I2对应于正弦曲线的最大值或最小值。因此通过对正弦曲线的第一正半波上的电流值I(t)求平均来获得平均第一电流Im1。对应地通过对正弦曲线的第二负半波上的电流值I(t)求平均来获得平均第二电流Im2。
与图3a的示例相反，图3b的示例中具有正电流值的时段t1与具有负电流值的时段t2一致。
明确强调的是，通过图3a和3b来解释的示例性场景也能够彼此组合。
对于执行该方法以及在图3a的示例中，平均第一时段tm1和平均第二时段tm2被确定为使得顶侧4的温度TO收敛于限定的温度极限值TG并且底侧的温度TU保持基本恒定。这种场景在图4的温度-时间(T-t-)图中重现。这同样适用于图3b的示例中的电流值I1、I2。温度极限值TG的绝对值能够通过改变电流I(t)来适应相应的要求。
在未示出的变型中，电流I0或I1、I2有时也能够是零值，这对应于热电有源元件3的通电中断。
图5示出了热交换器的优选的实施方式变型。在图5的示例中，热电装置2形成为热电织物13。术语“织物”和“线”在此主要指构成“织物”的多个柔性的细长的部分的布置。所述部分被布置为类似于经典纺织织物中的“线”，这就是此处使用经线、纬线以及织物等术语进行说明的原因。
从图5能够明显看出，这里的术语“线”还包括柔性带状结构或细长块状结构。织物13能够包括由p掺杂和n掺杂的线部分以及布置在其间的导电的第一和第二线部分来交替形成的多个第一线。这里，织物13的第一线部分形成第一导体桥10a，并且织物13的第二线部分形成装置2的第二导体桥10b。
此外，织物13包括优选地形成为电绝缘的多个第二线。在织物13的情况下，第一线形成纬线并且第二线形成经线，或反之亦然。图5中所示的具有热电织物13的热交换器1特别适合集成在车辆座椅中。织物13的顶侧4然后实际上布置在车辆座椅的分配给顶侧4的座椅表面的区域中。当执行根据本发明的方法时，“净”热量从底侧5传输到顶侧4并且座椅表面因此被加热。
Claims (16)
1.一种用于操作热交换器(1)的方法，所述热交换器包括顶侧(4)和底侧(5)以及具有热电有源元件(3)的热电装置(2)，所述热电有源元件被设计为可通电以在顶侧(4)与底侧(5)之间产生热流，
根据所述方法，所述热电装置(2)以如下方式利用交流电流(I)通电：
-平均第一时段(tm1)短于平均第二时段(tm2)，在所述平均第一时段中所述热电有源元件(3)的通电以使得热量(W)从顶侧(4)传输到底侧(5)的方式进行，在所述平均第二时段中所述热电有源元件(3)的通电以使得热量(W)从底侧(5)传输到顶侧(4)的方式进行；或者/以及
-平均第一电流(Im1)低于平均第二电流(Im2)，在所述平均第一电流中所述热电有源元件(3)的通电以使得热量(W)从顶侧(4)传输到底侧(5)的方式进行，在所述平均第二电流中所述热电有源元件(3)的通电以使得热量(W)从底侧(5)传输到顶侧(4)的方式进行。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
-所述通电还包括所述交流电流(I(t))的零值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述平均第一时段(tm1)和所述平均第二时段(tm2)或所述平均第一电流(Im1)和所述平均第二电流(Im2)被确定为使得在所述交流电流(I(t))的周期(T)期间从底侧(5)传输到顶侧(4)的热量对应于从顶侧(4)传输到底侧(5)的热量加上由热电有源元件(3)通过耗散生成并传输到底侧(5)的热量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
-所述平均第一时段(tm1)和所述平均第二时段(tm2)或所述平均第一电流(Im1)和所述平均第二电流(Im2)确定为使得顶侧(4)的温度(TO)相对于时间收敛于限定的温度极限值(TG)；或者/以及所述平均第一时段(tm1)和所述平均第二时段(tm2)或所述平均第一电流(Im1)和所述平均第二电流(Im2)确定为使得底侧(5)的温度(TU)保持基本恒定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-以预先确定的周期比来生成所述交流电流(I)，使得所述平均第二时段(tm2)为所述平均第一时段(tm1)的至少1.5倍，优选为至少两倍，以及最大十倍，优选为最大五倍。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
所述周期比从预先确定的特性曲线中获得。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述交流电流(I)的交流电流频率(f)为至少1Hz，优选为至少10Hz。
8.一种用于对车辆座椅进行温度控制的热交换器(1)，
-具有热电装置(2)，所述热电装置包括彼此间隔开地布置在所述热交换器(1)的顶侧(4)与底侧(5)之间的多个可通电的热电有源元件(3)，
-具有设置在所述底侧(5)上并与所述底侧热连接的以供流体(F)流过的流体路径(6)，
-具有设计为用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的控制/调节装置(7)，其中特别地，在所述热交换器的操作期间，所述控制/调节装置(7)执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
9.根据权利要求8所述的热交换器，
其特征在于，
所述热交换器(7)包括用于在所述热电装置(2)的热电有源元件(3)中生成电流(I)的电源(8)，或者所述热交换器被设计为可电连接到这样的电源(8)。
10.根据权利要求8或9所述的热交换器，
其特征在于，
在所述流体路径(6)中布置有用于在流经所述流体路径(6)的流体(F)与所述热电有源元件(3)之间传递热量(W)的热传递结构(9)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的热交换器，
其特征在于，
所述热电装置(2)被设计/配备成使得当以第一电流方向对所述热电有源元件(3)通电时热量从顶侧(4)传输到底侧(5)，并且当以与第一电流方向相反的第二电流方向对所述热电有源元件(3)通电时热量从底侧(5)传输到顶侧(4)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的热交换器，
其特征在于，
-所述热电装置(2)包括用于电互连所述热电有源元件(3)的多个电导体桥(10)，
-其中，相应的导体桥(10)热连接到所述装置(2)的暖侧(11)或冷侧(12)。
13.根据权利要求12所述的热交换器，
其特征在于，
所述电导体桥(10)包括面向所述底侧(5)的第一导体桥(10a)和面向所述顶侧(4)的第二导体桥(10b)，所述第一导体桥形成所述热电装置(2)的冷侧(11)或暖侧(12)，所述第二导体桥形成所述热电装置(2)的暖侧(12)或冷侧(11)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的热交换器，
其特征在于，
在所述热交换器的操作期间和当执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法时，所述底侧(5)，特别是所述第一电导体桥(10a)形成冷侧(12)，并且所述顶侧(4)，特别是所述第二电导体桥(10b)形成暖侧(12)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的热交换器，
其特征在于，
所述热电装置(2)包括热电织物(13)或形成为热电织物(13)，其中，所述热电织物(13)包括：
-由p掺杂和n掺杂的线部分以及布置在其间的导电的第一和第二线部分来交替形成的多个第一线，其中，所述织物(13)的第一线部分形成热交换器的第一导体桥(10a)并且所述第二线部分形成热交换器的第二导体桥(10b)，
-优选地形成为电绝缘的多个第二线，
-其中，所述第一线形成织物(13)的经线并且所述第二线形成织物的纬线，或反之亦然。
16.一种车辆座椅，
-其具有根据权利要求8至15中任一项所述的热交换器(1)，所述热交换器的顶侧(4)热连接到所述车辆座椅的座椅表面。
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