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QUERVERWEIS ZU ENTSPRECHENDEN ANWENDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil gemäß 35 U.S.C. 119(e) der vorläufigen US-Anmeldung Nr.:
62/812,614 , eingereicht am 1. März 2019.
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ERKLÄRUNG ZU STAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Keine Anwendung
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DIE NAMEN DER VERTRAGSPARTEIEN EINER GEMEINSAMEN FORSCHUNGSVEREINBARUNG
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Keine Anwendung
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EINARBEITUNG DURCH BEZUGNAHME VON MATERIAL, DAS AUF EINER COMPACT DISC ODER ALS TEXTDATEI ÜBER DAS ELEKTRONISCHE ABLAGESYSTEM DES AMTS (EFS WEB) EINGEREICHT WIRD
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Keine Anwendung
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ERKLÄRUNG ÜBER FRÜHERE OFFENBARUNGEN DES ERFINDERS ODER EINES MITERFINDERS
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Keine Anwendung
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Hintergrund der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermoelektrische Heizsysteme, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu deren Verwendung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf widerstandswärmeunterstützte Kühl- und Heiztechniken.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Konventionelle thermoelektrische Heizsysteme sind auf dem Gebiet bekannt, einschließlich einer der gängigsten Arten von thermoelektrischen Heizsystemen, die ein thermoelektrisches Modul, einen Kühlkörper und ein leitendes Element zum Verteilen der Wärme beinhalten.
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Die Anwender dieser Erfindungen sind sich jedoch bestimmter Probleme bei niedrigen Temperaturen bewusst geworden, die durch diese Erfindungen des Stands der Technik verursacht werden. Ein besonderes Problem, das die Nutzer plagt, ist, dass die Systeme bei extremer Kälte recht langsam aufheizen, und die Nutzer würden es vorziehen, wenn sich Heizsystem schneller aufheizen würde, als es derzeit der Fall ist. Im Heizmodus des thermoelektrischen Heizsystems gibt es Komplexitäten, die dazu führen, dass bei niedrigen Temperaturen nur wenig Wärme von einem kalten Kühlkörper an die gewünschte Stelle gepumpt wird.
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Einige Anwendungen des Stands der Technik beinhalteten die Verwendung einer zusätzlichen Widerstandsheizmatte, die über die zu beheizende Fläche ausgebreitet ist. Dies ist jedoch keine wünschenswerte Lösung für das Problem, da die Heizmatten den Sitzinsassen zwar Widerstandswärme bereitstellen, aber bei sehr kalten Temperaturen eine schnelle Erwärmung wünschenswert ist. Um eine schnellere Erwärmung in Kraftfahrzeugen, schweren Geräten für den Außenbereich, Sportfahrzeugen und Anwendungen, die bei sehr kalten Temperaturen verwendet werden, zu ermöglichen, wäre es wünschenswert, dass die thermoelektrische Vorrichtung an sich schneller erwärmt, sodass sie Wärme zu dem Sitzinsassen abgeben kann.
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In den meisten Aspekten, die in den zuvor eingereichten Anmeldungen des vorliegenden Erfinders offenbart sind, kann das thermoelektrische Heizsystem die Kundenanforderungen für die Beheizung von Sitzinsassen erfüllen, indem es die in der Anmeldung USSN
15/526,954 „Heating and Cooling Technologies“ beschriebene Technik verwendet, die hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Es gibt jedoch Spezifikationen von OEMs (Original Equipment Manufacturer), die eine schnellere Erwärmung des Systems bei extrem niedrigen Temperaturen, z. B. -25 °C, erfordern. Das System in seiner jetzigen Form erfüllt alle OEM-Spezifikationen für die Geschwindigkeit, mit der gewisse Solltemperaturen erreicht werden.
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Im Heizmodus entnimmt die thermoelektrische Vorrichtung die Wärme aus dem Kühlkörper und pumpt sie auf die Insassenseite des Systems. Widerstandserwärmung tritt auch im TE-Modul auf, da es einen elektrischen Widerstand aufweist. Wenn der Kühlkörper sehr kalt ist, gibt es nicht viel Wärme, die aus dem Kühlkörper gepumpt werden kann, um sie an die Insassenseite des Systems zu leiten. Zusätzlich wird die Wärmepumpenfähigkeit des TE-Moduls verringert, da die temperaturabhängigen Eigenschaften des Halbleitermaterials bei niedrigen Temperaturen reduziert sind. Schließlich entsteht aufgrund des relativ großen Temperaturunterschieds zwischen der warmen und der kalten Seite der TE-Vorrichtung eine hohe Seebeck-Spannung, die die effektive Vorwärtsspannung zu dem TE-Modul reduziert.
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Andere Systeme, die TE-Vorrichtungen verwenden, verwenden separate Widerstandsheizmatten an Sitzen, um einen Großteil der Wärme zum Beheizen eines Sitzes in dem Heizmodus des Sitzheizungs- und -kühlungssystems bereitzustellen. Wie es bereits in der Cauchy-Anmeldung
US SN 15/526,954 „Heating and Cooling Technologies“ erwähnt ist, können viele Anwendungen durch das System ohne die Verwendung einer separaten Heizmatte erfüllt werden.
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Da es viele Anwendungen für thermoelektrische Heizsysteme gibt, zu denen auch Heizeinheiten gehören, z. B. im Automobilsektor für beheizte Sitze und beheizte Sitze für Büromöbel, sowie Jacken, Hosen, Handschuhe und andere beheizte Kleidungsstücke für den Außenbereich oder auch für den Einsatz in Krankenhausbetten, neben anderen Segmenten, in denen thermoelektrische Heizsysteme von großem Nutzen sind, wäre eine schnelle Heizeinheit von großem Nutzen.
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Für das Segment der beheizten Sitze in der Automobilindustrie wäre es besonders wünschenswert, wenn es ein thermoelektrisches Heizsystem gäbe, das eine schnellere Erwärmung des Sitzes bewirken würde, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen schnell beheizten Sitzes, ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Komponente in Form einer zusätzlichen Widerstandsheizmatte, die über die zu erwärmende Oberfläche ausgebreitet wird. Es wäre ferner wünschenswert, dass andere Merkmale, wie z. B. ein kleinerer Heizstab, weniger Kosten verursachen und eine Aufheizzeit auf die gewünschte Temperatur in viel kürzerer Zeit erreicht werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit den oben genannten Wünschen der verschiedenen Heizeinheit-Industrien stellt die vorliegende Erfindung verschiedene Aspekte von Heiztechniken bereit, die durch zusätzliche Widerstandswärme unterstützt werden, um schnelle Heiz- und thermoelektrische Heizsysteme bereitzustellen. Solche thermoelektrischen Heizsysteme umfassen generell eine thermoelektrische Vorrichtung in thermischer Verbindung mit einem Wärmeübertragungsblock und einem Kühlkörper.
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Diese wärmeunterstützende Erfindung kann mehrere Aspekte beinhalten, einschließlich eines ersten Aspekts eines kleinen, kostengünstigen Heizstabs oder Heizpatrone, der/die direkt in den Kühlkörper oder den Wärmeübertragungsblock der thermoelektrischen Maschine integriert ist, und eines zweiten Aspekts, bei dem gegliedertes Graphen als elektrischer Widerstand zum schnellen Übertragen von Wärme dient. Dieser erste Aspekt eines neuen Zusatzheizstabs zusätzlich zu dem Kühlkörper überwindet viele der oben genannten Probleme des Stands der Technik, da der Sitzinsasse in kalten Umgebungen schneller ein komfortableres Gefühl erhält. Wenn zum Beispiel jemand in ein Auto mit Sitzheizung einsteigt, ist es wünschenswert, dass die Sitze schnell aufgeheizt werden, wenn es draußen sehr kalt ist. Heizmatten des Stands der Technik werden nicht schnell genug aufgeheizt, um den Kunden Zufriedenheit bereitzustellen.
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Während Heizmatten des Stands der Technik ein von einem thermoelektrischen System getrenntes System sind, beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Heizverfahren, das ein thermisch vereinheitlichtes System bereitstellt, bei dem die Wärmeübertragungssysteme innerhalb des thermoelektrischen Systems die Wege für ein reines Widerstandssystem werden. Zusätzlich kann die thermoelektrische Vorrichtung auch im Heizmodus mit Strom versorgt werden, um eine Person oder einen Insassen zu wärmen und dieser/diesem Komfort bereitzustellen. Sobald beispielsweise die Heizpatrone in den Kühlkörper eingesetzt ist, wird die von der Heizpatrone erzeugte Wärme von der thermoelektrischen Vorrichtung zu dem Wärmeübertragungsblock gepumpt. Dieser ist dann in thermischer Verbindung mit dem Graphen oder einem anderen hochleitenden Wärmeübertragungsmedium, das wiederum mit einem Sitzinsassen oder einem anderen möglichen Objekt verbunden ist. Diese Art von System wäre mit der Heizmatte eindeutig nicht möglich. Wenn sich die Heizpatrone an der alternativen Stelle befindet, d. h. in dem Wärmeübertragungsblock, pumpt das thermoelektrische Modul keine Wärme von dem von der Patrone beheizten Kühlkörper, da es Wärme direkt in das Wärmeübertragungsmaterial pumpt. Das flexible, wärmeleitende Graphen oder ein anderes hochleitendes Material dient als das Wärmeübertragungsmaterial, das noch mit der thermoelektrischen Vorrichtung zusammenarbeitet, um dem Wärmeübertragungsblock Wärme bereitzustellen.
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Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung kann der Wirkungsgrad von 10 auf 85 % erhöht werden, was eine viel schnellere Erwärmung des Insassen ermöglicht und somit mehr Komfort für die Person schafft, die mit dem Heiz- und Kühlsystem in Kontakt ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein einziges kleines, kompaktes und leichtes System sowohl Heizen als auch Kühlen bereitstellen kann. Im Heizbetrieb scheint es neu und nicht naheliegend zu sein, mit der thermoelektrischen Vorrichtung eine Quelle zu beheizen, aus der Wärme gepumpt werden soll. Je wärmer ein Kühlkörper ist, insbesondere bei kalten Umgebungstemperaturen, desto mehr Wärme kann die thermoelektrische Vorrichtung pumpen. Dies geschieht schneller als die thermoelektrische Vorrichtung an sich, die versucht, einem kalten Kühlkörper Wärme zu entziehen. Dieses System ist dann besonders wichtig bei kalten Umgebungstemperaturen, wo die Temperaturabhängigkeit des thermoelektrischen Halbleiters dazu führt, dass er einen Teil seiner Wärmepumpwirkung verliert, da in einem kalten Kühlkörper weniger Wärme zum Abpumpen vorhanden ist.
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In dieser Hinsicht umfasst ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmte Merkmale, einschließlich eines Heizstabs oder einer Heizpatrone, der/die in den Kühlkörper oder den Wärmeübertragungsblock eingesetzt wird oder in direkter thermischer Verbindung damit ist, anstelle einer separaten Widerstandsheizmatte gemäß dem Stand der Technik.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet die Verwendung einer widerstandsbeheizten, gegliederten Graphenfolie oder eines anderen hochflexiblen, leitenden Materials, das zum Übertragen einer schnellen Erwärmung verwendet wird, indem es selbst als Widerstandsheizung dient oder mit einer separaten Widerstandsheizeinheit ergänzt wird. Die Verwendung desselben Graphens zum Übertragen von Wärme zum Heizen und Kühlen, das auch für die Wärmeerzeugung verwendet wird, erspart dem Sitzhersteller das Hinzufügen einer Heizmatte, was die Struktur der Sitzanordnung vereinfacht und die Kosten für ein separates System vermeidet.
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Die Erfindung ist besonders nützlich für Anwendungen der oben erwähnten beheizten Fahrzeugsitze in Situationen mit niedrigen Temperaturen, sowie für jede andere Anwendung. Bei reinen Sitzheizungsanwendungen kann folienartiges Graphen als Widerstandsheizung verwendet werden und ist auch ein weit verbreitetes Wärmeübertragungselement anstelle einer konventionellen Widerstandsheizmatte. Durch Verwendung dieses Materials wird der Sitzkomfort in der kalten Umgebung erhöht, da sich die Wärme über die gesamte Sitzfläche verteilt und heiße Stellen im Sitz vermieden werden, was ebenfalls zum Komfort beiträgt.
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Anstelle eines konventionellen Heizmattensystems, bei dem das Widerstandsheizelement entweder ein Draht, eine gedruckte Schaltung oder ein gewebtes oder nicht gewebtes leitendes Fasermaterial ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass die gesamte Oberfläche das Widerstandselement ist, wobei aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit, die dem vorgeschlagenen Graphen oder einem anderen hochflexiblen leitenden Material eigen ist, eine vergleichsweise kleine Fläche beheizt werden muss, da das hoch wärmeleitende Graphen oder ein anderes hochflexibles leitendes Material die Wärme über die gesamte Oberfläche des Sitzes übertragen kann.
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In einem Versuch, das Problem des Stands der Technik zu lösen, wird bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein kleiner, kostengünstiger Heizstab oder Heizpatrone in den Wärmeübertragungsblock oder den Kühlkörper des thermoelektrischen Motors eingebettet. In einer besonderen Anwendung von Automobilsitzen wird durch die vorliegende Erfindung und durch die Anwendung dieses Konzepts die Aufheizzeit der thermoelektrischen Anordnung auf eine gewünschte Temperatur erheblich verbessert. Dies kann ein wesentlicher Faktor dafür sein, dass das vorliegende System ohne eine zusätzliche, über den Sitz verteilte Widerstandsheizmatte eingesetzt werden kann, was einen Wettbewerbsvorteil darstellt, da eine bessere Leistung und niedrigere Kosten erzielt werden.
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Obwohl das Konzept der Widerstandsheizung der vorliegenden Erfindung im Folgenden anhand von Beispielen für bestimmte Aspekte mit bestimmten Merkmalen beschrieben wird, muss verstanden sein, dass geringfügige Änderungen, die keine übermäßigen Experimente seitens des Anwenders erfordern, in den Anwendungsbereich und die Breite der vorliegenden Erfindung fallen. Zusätzliche Vorteile und andere neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind insbesondere für die Fachleute auf dem Gebiet bei der Prüfung ersichtlich oder können bei der Umsetzung der Erfindung gelernt werden. Daher ist die Erfindung zu vielen anderen verschiedenen Aspekten fähig, und ihre Details sind zu Modifikationen verschiedener Aspekte fähig, die für jene mit gewöhnlichem Fachwissen auf dem Gebiet offensichtlich sind, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Dementsprechend ist der Rest der Beschreibung eher veranschaulichend als einschränkend zu verstehen.
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Figurenliste
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Zum weiteren Verständnis des Wesens und der Vorteile des erwarteten Geltungsbereichs und der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende ausführliche Beschreibung verwiesen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, in denen gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind und in denen:
- 1 eine perspektivische Draufsicht auf ein thermoelektrisches Modul mit einem implantierten Zusatzwiderstandsheizstab gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- 2 eine perspektivische Seitenansicht eines Kühlkörpers mit einem implantierten Zusatzwiderstandsheizstab ist;
- 3A eine Draufsicht auf geätzte oder abgeschiedene Graphen-Widerstandsschenkel ist;
- 3B eine Seitenansicht der Graphen-Widerstandsschenkel von 3A ist;
- 3C eine grafische Darstellung eines gegliederten Graphenstreifens ist, der als Widerstandsheizung verwendet wird;
- 4 eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Aspekts der Graphen-Widerstandsheizung ist, die in einem thermoelektrischen System verwendet wird;
- 5 eine perspektivische Seitenansicht des thermoelektrischen Systems von 4 ist, ferner umfassend ein elektrisches Zusatzwiderstandsheizelement;
- 6A eine Seitenansicht eines thermoelektrischen Systems ist, das ein Crossover-Graphen-System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
- 6B eine perspektivische Ansicht von unten ist, die die relative Lage eines Kühlkörpers zeigt;
- 7 eine Vorderansicht einer Autositzlehne mit Wärmeverteilern aus gegliederten Graphenfolien ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind;
- 8 ein Diagramm der Wärmeleistung beim Vergleich der widerstandswärmeunterstützten Heiz- und Kühltechnik gemäß der vorliegenden Erfindung und dem nicht unterstützten Kissen ist;
- 9 eine Draufsicht auf eine Sitzanordnung ist, in der die Leiterbahnen angebracht sind; und
- 10 einen noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, der eine serpentinenförmige Konfiguration einer Graphen-Wärmeunterstützung über den leitenden Streifen in 9 zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme nun auf die Zeichnungen im Detail veranschaulicht 1 einen Abschnitt einer thermoelektrischen Anordnung, insbesondere einer thermoelektrischen Widerstandsfolienanordnung, die allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet wird, und beinhaltet eine Ansicht eines Zusatzheizstabs 14, der in einen Wärmeübertragungsblock 12 eingesetzt ist und mit diesem in Wärmeverbindung ist. Das thermoelektrische Modul 16 befindet sich zwischen dem Wärmeübertragungsblock 12 und dem Kühlkörper 18 und ist die Heizquelle für diese thermoelektrische Anordnung 10. Die Drähte 20 des thermoelektrischen Moduls sind in elektrischer Verbindung mit dem thermoelektrischen Modul 16. Durch Einsetzen der Heizpatrone 14 in den Wärmeübertragungsblock 12 kann eine schnelle Erwärmung erreicht werden, da das Heizelement der thermoelektrischen Vorrichtung schneller auf die Erzeugung von Wärme zum Komfort einer Person ausgerichtet werden kann, als wenn die thermoelektrische Vorrichtung Wärme erzeugt, um ihre Betriebskapazität zu erhöhen.
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Nützliche Materialien für den Heizstab oder die Heizpatrone sind Stahl, rostfreier Stahl, Aluminium, Messing, Inconel, Incoloy oder ein beliebiges andere geeignete Material. Obwohl einer der bevorzugten Heizstäbe einen Widerstand von 4,8 Ohm aufweist, kann dieser je nach erforderlicher Heizleistung erheblich variieren. Die gleiche Heizpatrone stellt 30 W Wärmeenergie bei 12 V DC bereit. Bestimmte Anwendungen können höhere Leistungseinheiten für ein schnelleres Aufheizen des Systems oder niedrigere Leistungseinheiten für Systeme erfordern, bei denen die Aufheizgeschwindigkeit oder die Gesamtwattzahl der für das Aufheizen bereitgestellten Leistung nicht erforderlich ist.
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In diesem ersten Aspekt der Erfindung kann der bevorzugte Heizstab eine Länge von 20 mm bis zu 200 mm aufweisen. Bevorzugte Einheiten weisen einen Durchmesser von etwa 2,0 mm bis 10 mm und eine Länge von etwa 50 mm auf. Je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung kann dies von noch kleineren Durchmessern bis hin zu sehr viel größeren Durchmessern variieren, je nach Anwendung. Der Heizstab kann vorzugsweise entweder an dem Kühlkörper oder an dem Wärmeübertragungsblock auf der thermoelektrisch heißen Seite angebracht sein. Natürlich kann praktisch jede Stelle des Kühlkörpers oder des Wärmeübertragungsblocks von Nutzen sein. Aufgrund der Stärke des Metalls des Kühlkörpers kann die Heizpatrone praktisch überall in dem Querschnitt platziert werden. Heizstäbe oder Heizpatronen, die für die vorliegende Erfindung nützlich sind, können Temperaturen von 760 °C erreichen, obwohl sie für die vorliegende Anwendung nur bis zu etwa 125 °C verwendet werden.
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Bei Betrachtung der nächsten 2 ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem eine Heizpatrone 24 in den Körper des Kühlkörpers 22 eingesetzt ist. Bei dieser Anwendung würde die gesamte Wärme der thermoelektrischen Vorrichtung zur Verfügung stehen, um einer Person Komfort bereitzustellen, die mit dem Wärmeübertragungsblock und den darüber liegenden Schichten in Kontakt ist.
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3A, 3B und 3C stellen gemeinsam einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dar, bei dem geätzte oder abgeschiedene Graphen-Widerstandsschenkel als gegliederte Widerstandsheizungen verwendet werden. In die Graphenfolien 30 sind entweder Graphen-Widerstandsschenkel 32 eingeätzt oder auf sie aufgebracht, wobei das Graphen an sich zur Widerstandsheizung wird. Der Kürze halber werden wir uns auf Graphen beziehen, obwohl es klar sein muss, dass ein beliebiges geeignete flexible, hoch wärmeleitende Material, wie z. B. Kupfer und/oder seine Legierungen, Aluminium usw., verwendet werden kann und in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt. Je nach Anwendung werden die bevorzugten Materialien ausgewählt. Für nicht bewegliche Anwendungen können Materialien verwendet werden, die nicht gebogen oder gedehnt werden können, während für Auto- oder Bürositze wahrscheinlich ein robusteres Material erforderlich ist. Aufgrund des entstehenden Musters baut das Graphen einen Widerstand auf, da niedrige Spannungen, wie z. B. dünne Drähte, einen Widerstand erzeugen. In dem vorliegenden Aspekt zeigt 3C eine einzelne Graphenschicht, die gegliedert und zwischen Kunststofffilmschichten laminiert ist. Graphenstreifen oder eine beliebige andere geeignete Form können so hergestellt werden, dass das Graphen in einem Serpentinen- oder anderen Muster liegt, um einen elektrischen Heizwiderstand zu bilden.
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In dem thermoelektrischen Heiz- und Kühlsystem der vorliegenden Erfindung leitet derselbe Graphenstreifen die Wärme, die durch die thermoelektrische Vorrichtung entweder in den Streifen hinein oder daraus gepumpt wird. Es handelt sich um eine Kühlleitung, eine Heizleitung und eine Widerstandsheizung. Durch Verkapseln in der flexiblen Kunststofffüllung ist der gegliederte Graphenstreifen elektrisch isoliert, aber thermisch leitend.
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Im Gegensatz zu anderen Widerstandsheizungen, die in früheren Patenten oder anderen Anwendungen beschrieben sind, wird die gesamte Oberfläche durch die Verwendung des gegliederten Graphenstreifens als Widerstandsheizung erwärmt. In der Zwischenzeit müssen Heizelemente aufgrund ihres geringen Durchmessers auf eine hohe Temperatur gebracht werden. Da jedoch die gesamte Oberfläche dieses Mehrzweck-Graphenstreifens beheizt wird, können niedrigere Temperaturen verwendet werden, um einer Person oder einem Gegenstand Wärme zuzuführen, die dem persönlichen Komfort dient. Für den Betrieb des Heizabschnitts des Systems kann sowohl Gleich- als auch Wechselstrom verwendet werden, da das thermoelektrische System mit Gleichstrom betrieben wird. In diesem besonderen Aspekt ist der gegliederte Graphenstreifen elektrisch in Reihe, während er formal parallel ist.
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4 zeigt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem die gegliederten Graphenstreifen als Kühl- und Heizleiter und Widerstandsheizung in einem beheizten thermoelektrischen System verwendet werden. Das thermoelektrische Heiz- und Kühlsystem wird generell mit der Zahl 50 bezeichnet und umfasst gegliederte Graphenstreifen 52. Das Graphen oder ein anderes hochleitendes Material ist das Wärmeübertragungs- und Widerstandsheizelement, das Teil des Heiz- und Kühlsystems wird. Das Serpentinenmuster der gegliederten Graphenstreifen benötigt lange Schenkel, um den Widerstand zu erhalten. Die Graphenfolien 54 befinden sich auf dem Kühlkörper 56 und wirken als Widerstandsheizung, um eine schnellere Erwärmung des Systems zu erreichen.
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5 zeigt einen ähnlichen Aspekt von 4, obwohl in dieser thermoelektrischen Anordnung, die generell mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist, die Graphenfolien 62 in direkter thermischer Verbindung mit dem wärmeleitenden Kunststofffilm sind, die die gegliederten Graphenstreifen 64 einkapselt. Ein zusätzliches Heizelement 66, bei dem es sich um eine konventionelle elektrische Widerstandsheizung handeln kann, kann in diesem Aspekt ebenfalls integriert sein. Wie bereits erwähnt, können auch andere geeignete resistente Heizmaterialien bevorzugt sein.
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6A veranschaulicht einen noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Crossover-Graphenfolie 80, und wird allgemein durch das Bezugszeichen 70, das ein thermoelektrisches Elementmodul 72 in thermischer Verbindung mit dem Kühlkörper 74 und unteren Wärmeübertragungsblock 76 umfasst, bezeichnet. Zwischen dem unteren Wärmeübertragungsblock 76 und dem oberen Wärmeübertragungsblock 94 befindet sich ein Graphen-Tiefenverlängerungsflügel 78, wodurch ein Spaltbereich unter dem Crossover-Graphen 80 oder alternativ einem anderen flexiblen, hochleitenden thermischen Material 80 entsteht. Eine Widerstandsheizung 82 befindet sich direkt auf der Graphenfolie 80 und unter der Schaumstoffschicht 84 und der Abdeckung 86. Bei diesem Aspekt wird ein Autositz folglich beheizt und kann eine leitende oder nicht leitende Schaumstoffschicht 84 und entweder einen Stoffbezug 86 oder einen perforierten Leder- oder Vinylbezug 86 verwenden.
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Bei Betrachtung von 6B ist die thermoelektrische Anordnung von 6A in einer perspektivischen Ansicht von unten veranschaulicht und zeigt die relative Anordnung des Kühlkörpers 74, des unteren Wärmeübertragungsblocks 76, der Graphen-Tiefenverlängerungsflügel 78, des Crossover-Graphens 80 und der thermoelektrischen Moduldrähte 92.
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Bei Betrachtung nun von 7 ist das vorliegende Graphen-Widerstandsheizungskonzept installiert in einer Autositzlehne 100 veranschaulicht. Die Autositzlehne 100 beinhaltet einen Sitzlehnen-Schaumstoffabschnitt 102, der Graphen-Verlängerungsfolien 104 aufweist, um Wärme in der gesamten Lehne der Sitzlehnenanordnung 100 bereitzustellen. Graphen oder ein anderes hochleitendes Material, das als gegliederte Widerstandsfolie 106 dargestellt ist, ist in thermischer Verbindung mit der Crossover-Graphenschicht 108 gezeigt. Nun erneut bezugnehmend auf 6A ist der Lückenbereich zu sehen, und dann bezugnehmend auf 7 ist ein entsprechender unbeheizter Lückenbereich 110 zu erkennen, da in diesem Abschnitt keine Wärme benötigt wird.
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8 ist ein Diagramm, das den Temperaturanstieg in Abhängigkeit von der Zeit in Minuten veranschaulicht, um die Wärmeleistung zwischen einer nicht unterstützten Frage und der Widerstandswärmeunterstützung gemäß der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, ist die Erwärmungsrate stark erhöht, und die schließlich erreichte Temperatur ist fast doppelt so hoch. Die ununterstützte erste Version erreicht eine hohe Temperatur von 25 °C, wohingegen die letztendlich erreichte Temperatur mit der widerstandsunterstützten Technologie der vorliegenden Erfindung etwas mehr als 45 °C beträgt.
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Ferner wird eine Sitztemperatur von 25 °C, was die Endtemperatur des ununterstützten Kissens ist, viel schneller erreicht, d. h. in 2 Minuten gegenüber 14 Minuten für das ununterstützte Kissen. Dies ist zweifellos ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, da eine schnellere Erwärmung wünschenswert ist. Eine schnellere Zeit-bis Fühlen ist wichtig, da die Industrie den Bewohnern nahezu sofortigen Wärme- und/oder Kältekomfort bereitstellen möchte. Selbstverständlich ist diese widerstandswärmeunterstützte Kühl- und Heiztechnik im Sinne der vorliegenden Erfindung auf alle Anwendungen des persönlichen Wärmekomforts anwendbar. Bei erneuter Betrachtung der Grafik gibt das Kästchen 116 den Bereich der Erwärmung an, der in der Automobilindustrie annehmbar ist. Während andere Industriezweige längere Aufheizzeiten für annehmbar halten, kann die Norm für solche Aufheizzeiten in der Automobilindustrie gelten.
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9 veranschaulicht einen noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Während der vorherige Aspekt eine direkte thermische Verbindung zwischen der Widerstandsheizvorrichtung und den wärmeleitenden Materialien veranschaulicht, wodurch die Wärme direkt an den Sitzinsassen abgegeben und durch das Graphen oder ein anderes wärmeleitendes Material des Heiz- und Kühlsystems weiter verteilt wird, ist dieser Aspekt einer widerstandswärmeunterstützten Vorrichtung viel größer und erfordert keinen direkten thermischen Kontakt mit dem wärmeleitenden Material. Der vorgenannte Aspekt kann als „duale Verwendung“ betrachtet werden, da er sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen dient. Dieser Aspekt kann über dem System der Heiz- und Kühltechnik platziert werden. In diesem Fall kann das widerstandswärmeunterstützte Material in eine Schicht aus komprimierbarem Schaumstoff integriert oder darauf aufgebracht sein. Der komprimierbare Schaumstoff würde die Widerstandsheizung unter einem Sitzbezug oder einer Sitzbezugsanordnung platzieren, die ebenfalls eine dünne Schaumstoffschicht als Teil ihrer Konstruktion beinhalten kann.
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Weiterhin bezugnehmend auf 9 wird dieser neue Aspekt allgemein mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet, einschließlich des Sitzmaterials 122 als Teil von Sitz 124. Ein wärmeleitender Trägerstreifen 128 dient als Träger für wärmeleitende Materialstreifen 126, vorzugsweise Graphen oder ein ähnliches wärmeleitendes Material, die wiederum in thermischer Verbindung mit der Wärmekraftmaschine 130 sind. Eine teilweise zurückgeschälte Schaumstoffschicht 132 wurde nach hinten abgeschält, um das Heiz- und Kühlsystem der vorliegenden freizulegen, zentriert um die Wärmekraftmaschine 130. Die nächste 10 veranschaulicht diesen Aspekt besser, wenn der Schaumstoff mit dem darin integrierten widerstandswärmeunterstützten System ausgeklappt ist, wobei zu erkennen ist, dass der widerstandswärmeunterstützte Schaumstoff und die widerstandswärmeunterstützten Widerstände vorzugsweise direkt unter einem Sitzbezug angeordnet sein können, um eine Erwärmung zum Komfort des Insassen zu beschleunigen.
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10 veranschaulicht einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer Variante einer Widerstandsheizung 144 aus Graphen, der jedoch eine viel größere Oberfläche als die vorherigen Aspekte aufweist und dadurch eine sehr schnelle Erwärmung für den Sitzinsassen ermöglicht. Eine solche Sitzanordnung wird generell mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet, einschließlich eines Sitzes 142, der mindestens teilweise mit einer Schaumstoffschicht 146, vorzugsweise einem viskoelastischen Schaumstoff, bedeckt ist und einer Graphen-Widerstandsheizung 144 in thermischer Verbindung mit dem Schaumstoff 146. Bei dieser Variante handelt es sich um eine Widerstandsheizung aus Graphen, die eine viel größere Oberflächenabdeckung bereitstellt und keine direkte thermische Verbindung mit den wärmeleitenden Graphen-Materialstreifen 126 von 9 erfordert. Dieser Aspekt der Erfindung stellt eine die Möglichkeit, entweder eine direkte thermische Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Aspekt des Heiz- und Kühlsystems herzustellen oder das Widerstandsheizelement mit einer Schicht aus komprimierbarem Schaumstoff über dem Heiz- und Kühlsystem zu platzieren, wodurch sich das Widerstandsheizelement unter dem Sitzbezug oder der Sitzbezugsanordnung befindet, die auch eine dünne Schaumstoffschicht oder Gewebe als Teil ihrer Konstruktion aufweisen kann.
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Wenn die Widerstandsheizung 144 eingeschaltet ist, erwärmt sie den Sitzinsassen aufgrund ihrer großen Oberfläche schnell und gleichförmig. Und wenn die Schaumstoffschicht 146 durch das Gewicht des Sitzbenutzers komprimiert wird, kommt das Graphen oder ein anderes thermisch und elektrisch leitendes Material Sitzwiderstandsheizung 144 in thermische Verbindung mit dem Graphen des Heiz- und Kühltechniksystems, und Wärme wird ferner über eine größere Oberfläche verteilt.
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In dieser Hinsicht eignet sich am besten ein Schaumstoff, der sich auf eine geringe Stärke komprimieren lässt, wenn der Insasse auf dem Sitz Platz nimmt. Obwohl jeder geeignete Schaumstoff verwendet werden kann, ist der bevorzugte Schaumstoff ein relativ dichter viskoelastischer Schaumstoff, wie z. B. jener, der von Bergad aus Kittanning, PA, USA, hergestellt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kombination aus Widerstandsheizung und Telefon auch direkt auf dem Graphen des Heiz- und Kühlsystems platziert werden kann. In diesem besonderen Fall war die Stärke des verwendeten Graphens 40 µm, obwohl die Stärke zwischen 10 µmund 1000 µm sein kann. Nach subjektiven Tests scheint sie den anderen Aspekten in ihrer Leistung überlegen zu sein. In einigen Fällen spürten die Insassen bereits nach weniger als 30 Sekunden ein erstes Wärmegefühl.
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Ein weiteres Merkmal, das bei dieser Technologie aufgrund ihrer großformatigen, hoch leitenden Beschaffenheit nicht zum Tragen kommt, ist die Tatsache, dass die von der Widerstandsheizung 144 an sich geforderte Höchsttemperatur nahe an den von den Sitzherstellern festgelegten Obergrenzen liegt, um eine Überhitzung oder gar Verbrennung eines Sitzinsassen zu vermeiden. Eine normale Temperaturobergrenze, die auf der Sitzoberfläche nicht überschritten werden darf, ist zwischen 40 °C und 45 °C, üblicherweise bei 43 °C. Es sollte auch beachtet werden, dass aufgrund der größeren Graphenfläche auf einem Sitz die Kühlung auch über die Widerstandsheizung 144 erfolgt, selbst wenn die Widerstandsheizung 144 in dem Kühlmodus offensichtlich nicht eingeschaltet ist. Durch Verwendung von Graphen als Material für die Widerstandsheizung 144 und nicht nur durch die Verwendung von Materialien, die sich zum Heizen eignen, kann auch die Kühlwirkung schnell an den Sitzinsassen abgegeben werden.
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Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine hitzebeständige Wärme- und Kühlunterstützungsvorrichtung zum Bereitstellen von Wärme- und Kühlkomfort für eine Person mindestens einen hitzebeständigen Graphen-Wärmeleiter umfassen, der einen Oberflächenbereich einer Wärme- und Kühlvorrichtung für die thermische Kommunikation abdeckt, um einer Person Komfort bereitzustellen, wobei der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter eine Zeitspanne Zeit-bis-Fühlen von 5 Sekunden bis 10 Minuten aufweist und in der Lage ist, Temperaturen von 5 °C bis 60 °C zu erreichen, um Wärme- und Kühlkomfort für eine Person bereitzustellen.
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Der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Folien, Streifen, gewebten Streifen, serpentinenförmig konfigurierten Leitern, auf einem Substrat aufgedampften Mustern, auf einem Substrat geätzten Mustern und Kombinationen davon.
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Besonders wirksam ist eine Konfiguration, bei der die hitzebeständigen Graphen-Wärmeleiter auf ein Schaumstoffsubstrat geklebt, darin eingewebt, auf das Schaumstoffsubstrat aufgesprüht, auf das Schaumstoffsubstrat aufgedampft oder darauf befestigt werden. Diese Kombination aus Schaumstoff und Graphen ist besonders nützlich für gepolsterte Sitze, z. B. in Autositzen und Büromöbeln. Der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter ist aus Gründen des Komforts und der Haltbarkeit vorzugsweise flexibel. Da der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter elektrisch mit einer Stromquelle verbunden ist, unterstützt er die thermoelektrische Vorrichtung bei der Beschleunigung der Zeit-bis-Fühlen für jemanden, der in einer Sitzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sitzt. Während der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter in thermischer Verbindung mit einer Wärmekraftmaschine ist, kann die Wärmekraftmaschine langsamer sein, um eine gesamte Anordnung aufzuheizen, sodass die vorliegende Erfindung einen gewünschten Schub bewirken kann.
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Ferner kann der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter entweder in direkter oder indirekter thermischer Verbindung mit der Wärmekraftmaschinen-Heiz- und Kühlanordnung sein. Eine direkte Verbindung mit dem Wärmeübertragungsblock eines der oben beschriebenen Aspekte kann sich als ausreichend erweisen. Andererseits kann eine direkte Wärmeübertragung wirksamer sein, da sie in direkterem Kontakt mit der Person, der Komfort bereitgestellt werden soll und einen größeren Bereich des Sitzes abdeckt, der einen größeren Teil der Sitzfläche abdeckt, die die Person berührt. Der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter als solcher kann auf die Wärme- und Kühlvorrichtung gelegt werden, die eine thermoelektrische Wärmekraftmaschine mit flexiblem, wärmeleitendem Material beinhaltet, das mit dieser thermisch verbunden ist. Der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter soll Teil einer gesamten Sitzanordnung sein und sich unter einem Sitzbezug der Sitzanordnung befinden.
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Ein weiterer Aspekt der hitzebeständigen Wärme- und Kühlunterstützungsvorrichtung zum Bereitstellen von Wärme- und Kühlkomfort für eine Person umfasst eine Reihe von Komponenten, einschließlich eines thermoelektrischen Wärmemotormoduls, eines leitenden thermischen Materials in thermischer Verbindung mit dem thermoelektrischen Wärmemotor, eines Kühlkörpers, der thermisch mit dem thermoelektrischen Wärmemotor verbunden ist, eines Wärmeübertragungsblocks in thermischer Verbindung mit dem thermoelektrischen Wärmemotor und mindestens eines hitzebeständigen Graphen-Wärmeleiters, der einen Oberflächenbereich der Wärme- und Kühlvorrichtung zur thermischen Verbindung für den Komfort einer Person abdeckt. In diesem Aspekt kann der hitzebeständige Graphen-Wärmeleiter eine Zeitspanne Zeit-bis-Fühlen von 5 Sekunden bis 10 Minuten aufweisen, die in der Lage ist, Wärme- und Kühltemperaturen von 5 °C bis 60 °C zu erreichen, um der Person Wärme- und Kühlkomfort bereitzustellen.
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In vielen Fällen umfasst eine bevorzugte Konfiguration ein thermoelektrisches Modul, das zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmeübertragungsblock eingebettet ist. In diesem Aspekt beinhalten geeignete leitende thermische Materialien, die mit der thermoelektrischen Wärmekraftmaschine in thermischer Verbindung sind, ferner Graphen, Graphit, Aluminium, Kupfer und andere hochleitende flexible Materialien.
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Für die indirekte thermische Kommunikation wird die hitzebeständige Heiz- und Kühlunterstützungsvorrichtung vorzugsweise elektrisch mit einer Energiequelle verbunden, um Wärme und Kälte zu erzeugen, sodass sie in der Lage ist, indirekt thermisch mit der Wärmekraftmaschine zu kommunizieren.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden hitzebeständigen Wärme- und Kühlunterstützungsvorrichtung zum Bereitstellen von Wärme- und Kühlkomfort für eine Person umfasst einen zusätzlichen Heizstab oder eine zusätzliche Heizpatrone, der/die direkt in den Kühlkörper oder den Wärmeübertragungsblock der thermoelektrischen Maschine integriert ist, um die Zeitspanne Zeit-bis-Fühlen zum Komfort einer Person zu verlängern. Dieser Zusatzheizstab ist vorzugsweise mit einem thermoelektrischen Wärmemotormodul kombiniert, wobei das leitende thermische Material in thermischer Verbindung mit dem thermoelektrischen Wärmemotor ist, zusammen mit einem Kühlkörper, wie oben beschrieben, der thermisch mit dem thermoelektrischen Wärmemotor verbunden ist, sowie einem Wärmeübertragungsblock in thermischer Verbindung mit dem thermoelektrischen Wärmemotor.
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Der Heizstab oder die Heizpatrone besteht aus geeigneten Materialien wie z. B. Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Messing, Inconel, Incoloy oder einem beliebigen anderen geeigneten Material. Bei der Auswahl dieser Materialien ist es vorzuziehen, dass der Heizstab oder die Heizpatrone einen elektrischen Widerstand von 2 Ohm bis 20 Ohm, vorzugsweise 4,8 Ohm, aufweist, der in der Lage ist, 5 W bis 50 W Wärmeenergie bei 12 V Gleichstrom bereitzustellen.
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Die vorstehenden Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beschränkt die Erfindung nicht auf die angegebene Form. Offensichtliche Änderungen oder Variationen sind im Lichte der obigen Lehren im Hinblick auf die spezifischen Aspekte möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und ihre praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und dadurch andere Fachleute auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die vorliegende Erfindung und die verschiedenen Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, die für die jeweils in Betracht gezogene Verwendung geeignet sind, optimal zu nutzen. Es ist beabsichtigt, dass der Geltungsbereich der Erfindung durch die daran angehängten Ansprüche definiert ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich im Zusammenhang mit einem Auto- oder Bürositz beschrieben wurde, soll die Erfindung nicht derart beschränkt werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich auch für alle Oberflächen in Kraftfahrzeugen, die mit einer Person oder einem Insassen in Kontakt kommen, wie z. B. Armlehnen, Konsolen, Lenkräder oder andere Innenraumoberflächen. Ferner kann diese Technik an Kleidungsstücken, Handschuhen, Stiefeln, Schuhen, Kopfbedeckungen, Mänteln usw. verwendet werden, um den Träger schnell aufzuwärmen. Alle in USSN
15/526,954 aufgeführten Anwendungen wären auch für die vorliegende Erfindung von Nutzen.
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Zusammenfassend wurden zahlreiche Vorteile beschrieben, die sich aus der Anwendung eines oder aller Konzepte und Merkmale der verschiedenen spezifischen Aspekte der vorliegenden Erfindung oder jener ergeben, die in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung findet Anwendung in verschiedenen Sitzanwendungen, wie z. B. in der Automobil-, Motorrad-, Boots- und Schiffsindustrie, in der Büromöbelindustrie, in der Militärfahrzeugindustrie, in der Landwirtschaftsindustrie und in anderen verwandten Industriezweigen sowie in der Krankenhausausstattung, in der Bekleidungsindustrie und in anderen Industriezweigen, die keine Sitzanwendungen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/812614 [0001]
- US 15/526954 [0010, 0057]
- US 15526954 [0012]
