DE102017216057A1

DE102017216057A1 - Thermoelektrisches Gewebe

Info

Publication number: DE102017216057A1
Application number: DE102017216057.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grünwald; Stefan Hoppe
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20200274047A1; CN111095583A; WO2019052829A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Gewebe (1), insbesondere für die Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Mehrzahl von Fäden (11), die abwechselnd von p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten (4N, 4P) sowie dazwischen angeordneten elektrisch leitfähigen Fadenabschnitten gebildet sind und einer zweiten Mehrzahl (2) von elektrisch isolierenden zweiten Fäden.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass die elektrisch leitfähigen Fadenabschnitte durch breite, flexible, dehnbare Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Gewebe, welches zum Beispiel zur Temperierung von Oberflächen in einem Kraftfahrzeug-Innenraum sowie von Kraftfahrzeugsitzen eingesetzt werden kann. Weiterhin wird eine entsprechende Klimatisierungsanlage beschrieben.
Aus der DE 10 2015 217 754 A1 ist eine thermoelektrische Vorrichtung bekannt, mit der Oberflächen in einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeugsitz in einem Kraftfahrzeug, gekühlt werden können, um beispielsweise bei starker Sonneneinstrahlung den Kraftfahrzeugsitz für erhöhten Komfort schnell zu kühlen. Die Vorrichtung umfasst dabei eine erste Mehrzahl an Fäden, die beispielsweise als Kettfäden dienen, die mit p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten ausgestattet sind. Wird ein elektrischer Strom durch diese erste Mehrzahl an Fäden hindurchgeleitet so erfolgt an den Kaltseiten der P-/N-Halbleiter aufgrund des Peltier-Effekts eine Abkühlung und der Kraftfahrzeugsitz beziehungsweise dessen Sitzfläche oder eine sonstige Oberfläche im Kraftfahrzeug wird gekühlt. Dabei sind zwischen den p- und n-dotierten Fadenabschnitten undotierte Leiterbahnabschnitte beispielsweise in Form von Kupferdrähten angeordnet. Weiterhin ist eine zweite Mehrzahl an elektrisch isolierenden Fäden vorgesehen, die als Schussfäden im Gewebe dienen. Dabei ist die thermoelektrische Vorrichtung beziehungsweise das Gewebe derart ausgebildet und angeordnet, dass die Oberfläche im Kraftfahrzeug, insbesondere des Kraftfahrzeugsitzes, gekühlt wird. Kett- und Schussfäden können jeweils auch für die andere Funktion ausgelegt sein.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist der Fachmann vor die Aufgabe gestellt ein derartiges thermoelektrisches Gewebe dahingehend zu verbessern, dass der Wirkungsgrad erhöht ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weiterhin wird eine entsprechende Klimatisierungsanlage angegeben.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass anstelle der undotierten Fadenabschnitte zwischen den p- und n-dotierten Fadenabschnitten nun breite, flexible, dehnbare Leiterbahnabschnitte vorgesehen sind, welche die Brücken zwischen den thermoelektrischen Halbleitern bilden. Diese Leiterbahnabschnitte bilden in ihrer Gesamtheit eine große Oberfläche und optimieren hierdurch die Wärmeübertragung zu der zu temperierenden Fläche.
Die p- beziehungsweise n-dotierten Fadenabschnitte werden in an sich bekannter Weise durch Halbleitermaterialien gebildet. Diese Materialien enthalten beispielsweise Bismuth, Tellur und Antimon als elementare Bestandteile, eine bekannte chemische Verbindung im thermoelekrischen Halbleitermaterial ist Bismuth-Tellurid. Diese dotierten Fadenabschnitte sind nunmehr mit breiten, flexiblen, dehnbaren Leiterbahnabschnitten verbunden.
Dabei ist es ersichtlich, dass durch die Anordnung der p- und n-dotierten Fadenabschnitte sowie der Richtung des Stromflusses durch das thermoelektrische Gewebe eine sogenannte Heißseite und eine sogenannte Kaltseite vorhanden ist. Bei richtiger Einbaulage wird also beispielsweise eine Oberfläche in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs gekühlt und die entstehende Wärme an das darunter angeordnete Material abgegeben. Dies kann beispielsweise ein Kraftfahrzeugsitz sein, um einem Nutzer des Kraftfahrzeugs nach dem Einschalten des thermoelektrischen Gewebes möglichst rasch ein angenehmes kühles Sitzgefühl zu vermitteln.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die großflächige Ausbildung der Leiterbahnabschnitte zwischen den p- und n-dotierten Fadenabschnitten eine vergrößerte Fläche zur Wärmeübertragung beziehungsweise zum Kühlen oder Abführen von Wärme zur Verfügung steht. Somit ist eine rasche Abkühlung beispielsweise einer Sitzfläche ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Leiterbahnabschnitte zwischen den dotierten Fadenabschnitten ein elektrisch isolierendes Trägermaterial, insbesondere Polyurethan (PU), auf, um eine ausreichende mechanische Stabilität bei trotzdem vorhandener Flexibilität beispielsweise zur Anpassung an verschiedene Formgebungen aufzuweisen. Die Leiterbahnabschnitte sind dabei im Wesentlichen vollständig von dem Trägermaterial umgeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass die Leiterbahnabschnitte zwischen den dotierten Fadenabschnitten aus Kupfer bestehen, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie gute Wärmeübertragungskapazität besitzt. Beispielsweise kann der Leiterbahnabschnitt durch einen määanderförmig verlaufenden Kupferdraht gebildet sein, der in das Trägermaterial wie Polyurethan eingegossen ist. Dies erlaubt auch eine Dehnbarkeit beziehungsweise Flexibilität des Leiterbahnabschnitts.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Leiterbahnabschnitte laminiert sind. Hierzu wird eine Leiterbahn vorzugsweise aus Kupfer auf eine erste Schicht des Trägermaterials aufkaschiert und dann mit einer zweiten Schicht des Trägermaterials überdeckt oder eingebettet, die vorzugsweise auflaminiert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die undotierten Leiterbahnabschnitte sowie die p- und n-dotierten Fadenabschnitte miteinander weichverlötet. Das bedeutet, dass zwischen den verschiedenen Materialien oder Komponenten des thermoelektrischen Gewebes eine Weichlot-Verbindung besteht. Diese Weichlötstellen bestehen jeweils in Abhängigkeit der Materialien aus einem geeigneten Lot und ermöglichen eine gewisse Beweglichkeit des gesamten Gewebes, um sich an unterschiedliche Oberflächenkonturen anzupassen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bestehen die elektrisch isolierenden zweiten Fäden aus Trägerlamellen die insbesondere aus einem geschlossenporigem Silikonschaum gebildet sind. Diese Trägerlamellen können mit der gewünschten Elastizität und elektrischen Isolierfähigkeit hergestellt werden, um beispielsweise mit der ersten Mehrzahl an Fäden aus p- und n-dotierten Fadenabschnitten und dazwischen angeordneten Leiterbahnabschnitten zu einem Gewebe verwoben zu werden. Alternativ ist für die Mehrzahl an zweiten Fäden auch die Verwendung von Schaumgummi oder ähnlichen Kunststoffmaterialien möglich, wobei Materialien bevorzugt sind, die schlecht wärmeleitend sind und trotzdem eine angenehme Haptik bieten. Durch die schlechte thermische Wärmeleitfähigkeit werden die Heißseite und die Kaltseite des thermoelektrischen Gewebes voneinander thermisch isoliert und der Wirkungsgrad erhöht.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die undotierten Leiterbahnabschnitte zwischen den dotierten Fadenabschnitten oder Leiterbahnabschnitten breiter als diese ausgeführt sind. Somit ist beispielsweise mit denjenigen undotierten Leiterbahnabschnitten, die obenseitig auf dem thermoelektrischen Gewebe beziehungsweise den Schussfäden oder Trägerlamellen im Wesentlichen vollständig überdecken. Somit wird die wirksame Fläche zur Wärmeübertragung oder -ableitung erhöht.
Ein solches thermoelektrisches Gewebe kann den Bestandteil einer Klimatisierungsanlage insbesondere für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs bilden. Beispielsweise kann das Gewebe unter einer Deckschicht in einem Armaturenbrett oder einer Seitenverkleidung oder einer sonstigen Oberfläche im Innenraum des Kraftfahrzeugs eingebaut sein. Entweder selbsttätig beim Einschalten einer herkömmlichen Klimaanlage oder durch manuelles Betätigen wird das thermoelektrische Gewebe aktiviert und kühlt die entsprechende Oberfläche. Eine Betätigung kann auch automatisiert anhand einer Gesamt-Systembetrachtung des thermischen Passagierkomforts vorgenommen werden, basierend auf Sensordaten. Insbesondere kann das thermoelektrische Gewebe in einem Kraftfahrzeugsitz verbaut werden, um die eigentliche Sitzfläche rasch abzukühlen. Dabei kann sich das Gewebe aufgrund der beispielsweise määanderförmig verlaufenden Leiterbahnen sowie der Weichlötstellen an die unterschiedlichen Formen des Kraftfahrzeugsitzes, die unter anderem durch unterschiedliche Gewichte der Kraftfahrzeuginsassen bewirkt werden, anpassen.
Es versteht sich, dass das thermoelektrische Gewebe mit elektrischen Zu- und Ableitungen, einer Sicherung gegen Überspannung sowie eventuell einem Temperaturfühler zur selbsttätigen Deaktivierung bei Über- oder Unterschreiten einer Grenztemperatur ausgestattet ist.
Prinzipiell kann ein solches thermoelektrisches Gewebe aber auch auf allen anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden, etwa zur Stromgenerierung in flexiblen Oberflächen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch

1 ein thermoelektrisches Gewebe in perspektivischer Darstellung,
2 ein thermoelektrisches Gewebe in Draufsicht,
3 ein thermoelektrisches Gewebe im Querschnitt entlang der Linie A - A aus 1 und
4 ein thermoelektrisches Gewebe im Querschnitt entlang der Linie B - B aus 1.

Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Gewebe 1 Schussfäden 2 auf, die vorzugsweise aus einem geschlossenzelligen Silikonschaum bestehen und elektrisch isolierend ausgebildet sind, sowie Kettfäden 11, die ihrerseits aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind.
Die Kettfäden 11 bestehen unter anderem aus Leiterbahnabschnitten 5A, 5B, 6A, 6B die beispielsweise durch mäanderförmig angeordnete Kupferdrähte 10 gebildet sind. Zwischen den Leiterbahnabschnitten 5A, 5B, 6A, 6B ist jeweils ein Halbleiterelement beziehungsweise ein dotierter Leiterbahnabschnitt 4N, der n-dotiert ist und ein Halbleiterelement beziehungsweise ein dotierter Leiterbahnabschnitt 4P, der p-dotiert ist, angeordnet. Die Leiterbahnabschnitte 4N und 4P weisen N- bzw. P-Dotierungen auf und beinhalten das entsprechende Halbleitermaterial, beispielsweise Bismuth-Tellurid und Antimon-Tellurid. Es sind aber auch alle anderen dem Fachmann bekannten Werkstoffe denkbar.
Die Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B, und Leiterbahnabschnitte 4N, 4P sind jeweils mit Weichlötstellen 7 verbunden, die eine ausreichende Flexibilität des thermoelektrischen Gewebes 1 ermöglichen. Prinzipiell ist auch eine Verbindung der verschiedenen Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B sowie 4N, 4P mittels Drähten, elastischen Leitern oder dergleichen möglich. Die Leiterbahnabschnitte 5a, 5B und 6A, 6B sind jeweils abwechselnd mit den Schussfäden 2 beziehungsweise dem geschlossenzelligen Silikonschaum verflochten, um das thermoelektrische Gewebe 1 zu bilden.
Die Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B sind aufgrund der mäanderförmigen Anordnung des Kupferdrahts 10 flexibel und können beispielsweise ihre Längserstreckung ändern, um unter anderem in einem Sitzpolster eines Kraftfahrzeugsitzes nicht beschädigt zu werden. Somit ist ein Dehnungsbereich gebildet. Dabei sind die Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B, sowie die dotierten Leiterbahnabschnitte 4A, 4B vorzugsweise auf einem Träger aufgebracht. Die Kettfäden 11 beziehungsweise die Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B sind an beiden Enden mit Abschlusslamellen 3 versehen, um eine elektrische Kontaktierung zu einer externen Stromversorgung beispielsweise aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. An der Abschlusslammelle 3 sind als Bestandteil der Kettfäden 11 Leiterbahnabschnitte 5C, 6C angeordnet, die mit einer elektrischen Kontaktfläche 8 zusammenwirken.
Aus der Draufsicht in 2 ist die große wirksame Oberfläche der Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B ersichtlich wobei diese insbesondere breiter ausgeführt sind als die dotierten Leiterbahnabschnitte 4N, 4P. Dabei umfassen die Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B randseitige Verbindungsbereiche 9, die über Weichlötstellen 7 mit den dotierten Leiterbahnabschnitten 4N, 4P verbunden sind.
Weiterhin ist aus 2 ersichtlich, dass die undotierten Leiterbahnabschnitte 5A, 5B, 6A, 6B, breiter sind als beispielsweise die Leiterbahnabschnitte 5C an der Abschlusslamelle 3, um eine möglichst vollflächige Überdeckung des thermoelektrischen Gewebes 1 zu erhalten.
Mit den geschwungenen Pfeilen ist angedeutet, dass an der Unterseite der Abschlusslammelle 3 ein Leiterbahnabschnitt 6C zur elektrischen Kontaktierung und an der Unterseite des Schussfadens 2 ein Leiterbahnabschnitt 6B angeordnet ist.
Aus den Querschnittsdarstellungen in den 3 und 4 ist ersichtlich, dass beispielsweise die Leiterbahnabschnitte 5A, 6A obenseitig an dem thermoelektrischen Gewebe 1 angeordnet sind und die Leiterbahnabschnitte 5B, 6B untenseitig. Bei entsprechendem Stromfluss durch die dotierten Leiterbahnabschnitte 4N, 4P kann also beispielsweise die Oberseite des thermoelektrischen Gewebes 1 als Kaltseite zur Abführung überschüssiger Wärme einer erhitzten Oberfläche dienen und die Unterseite als Heißseite, die die Wärme an ein darunterliegendes Material abführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015217754 A1 [0002]

Claims

Thermoelektrisches Gewebe (1), insbesondere für die Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Mehrzahl von Fäden (11), die abwechselnd von p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitten (4N, 4P) sowie dazwischen angeordneten elektrisch leitfähigen Fadenabschnitten gebildet sind und einer zweiten Mehrzahl (2) von elektrisch isolierenden zweiten Fäden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Fadenabschnitte durch breite, flexible, dehnbare Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) gebildet sind.
Thermoelektrisches Gewebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) ein Trägermaterial, insbesondere Polyurethan umfassen.
Thermoelektrisches Gewebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) Metall umfassen, insbesondere Kupfer.
Thermoelektrisches Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) laminiert sind.
Thermoelektrisches Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierten und n-dotierten Fadenabschnitte (4N, 4P) mit den Leiterbahnabschnitten (5A, 5B, 6A, 6B) weichverlötet sind.
Thermoelektrisches Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierenden zweiten Fäden (2) durch Trägerlamellen gebildet sind, insbesondere aus einem geschlossenporigem Silikonschaum.
Thermoelektrisches Gewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnabschnitte (5A, 5B, 6A, 6B) das thermoelektrische Gewebe (1) im Wesentlichen vollständig überdecken.
Klimatisierungsanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem thermoelektrischen Gewebe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.