KR20180094897A - 가열 및 냉각 엔진 - Google Patents

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KR20180094897A KR1020187016722A KR20187016722A KR20180094897A KR 20180094897 A KR20180094897 A KR 20180094897A KR 1020187016722 A KR1020187016722 A KR 1020187016722A KR 20187016722 A KR20187016722 A KR 20187016722A KR 20180094897 A KR20180094897 A KR 20180094897A
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제이슨 데이비스
아르투르 스테파노프
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마그나 시팅 인크.
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Abstract

가열 및 냉각 엔진은 전기 에너지 및 열 에너지를 절연시키는 중앙 절연체를 포함한다. 중앙 절연체는 상부 표면 및 맞은 편의 하부 표면을 갖는다. 복수의 이격된 열전기 요소는 상부 표면 및 하부 표면 사이에서 중앙 절연체에 의해 지지된다. 열전기 요소는 상부 측면 및 맞은 편의 하부 측면을 갖는다. 제1 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바는 중앙 절연체의 상부 표면에 고정되고 적어도 한 쌍의 열전기 요소의 상부 측면에 전기적으로 연결된다. 제2 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바는 중앙 절연체의 하부 표면에 고정되고 적어도 한 쌍의 열전기 요소의 하부 측면에 전기적으로 연결되고 열 에너지가 열전기 요소에 의해 제1 및 제2 복수의 부스 바에 발생된다.

Description

가열 및 냉각 엔진
본 출원은 2015년 12월 18일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/269,526호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 가열 및 냉각 엔진(heating and cooling engine)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 착석자(seat occupant) 안락함을 위해 좌석 조립체(seat assembly)의 표면을 신속하게 가열 및 냉각시키기 위한 가열 및 냉각 매트(heating and cooling mat)에 관한 것이다.
자동차는 차량 바닥 위의 승객 또는 착석자를 지지하는 좌석 쿠션(seat cushion) 및 좌석 등받이(seat back)를 갖는 하나 이상의 좌석 조립체를 포함한다. 좌석 조립체는 일반적으로 라이저 조립체(riser assembly)에 의해 차량 바닥에 장착된다. 좌석 등받이는 일반적으로 좌석 쿠션에 대해 좌석 등받이의 선택적인 피봇 조정(pivotal adjustment)을 제공하는 리클라이너 조립체(recliner assembly)에 의해 좌석 쿠션에 동작 가능하게 결합된다. 각 좌석 쿠션 및 좌석 등받이는 일반적으로 강성 프레임 구조에 의해 지지되고 천, 가죽 및/또는 비닐의 천 트림 커버에 넣어진 베이스 폼 패드(base foam pad)를 포함한다. 베이스 폼 패드는 좌석 쿠션 및 좌석 등받이에 견고한 지지 및 내구성을 제공한다. 또한 착석자 안락함을 위해 보다 부드러운 표면을 제공하도록 일반적으로 베이스 폼 패드와 트림 커버 사이에 트림 패딩이 배치된다.
착석자 안락함을 위해 좌석의 표면을 선택적으로 가열 및 냉각시키도록 가열 및/또는 냉각 메커니즘을 갖는 좌석 조립체를 제공하는 것이 일반적으로 공지되어있다. 이들 공지된 가열 및 냉각 메커니즘은 일반적으로 독립적인 메커니즘이다. 예를 들어, 전기 선 가열 패드를 전기적으로 대전시키고 좌석 쿠션 또는 좌석 등받이의 표면에 열을 제공하기 위해 차량 배터리로부터의 전력에 의해 전기적으로 작동되는 전기 선 가열 패드를 좌석 쿠션 또는 좌석 등받이의 폼 패드와 트림 커버 사이에 제공하는 것이 일반적이다. 또한 폼 패드 및 트림 커버를 통해 냉기를 통과시켜 좌석 쿠션 또는 좌석 등받이의 표면에 냉기를 제공하기 위해 팬 및 공기 덕트를 제공하는 것이 공지되어있다. 또한 점진적인 냉각 효과를 제공하기 위해 온난하며 습윤한 공기를 좌석 표면으로부터 견인하도록 팬 및 공기 덕트를 제공하는 것이 공지되어있다.
그러나 현재의 가열 및 냉각 메커니즘은 좌석 조립체의 온도 및 착석자를 위한 바람직한 안락함을 실현하기 위해 충분한 열기 또는 냉기를 발생시키기 위해 상당한 양의 시간 및 전력을 필요로 한다.
이에 따라, 좌석 조립체의 표면에 가열 또는 냉각을 신속하게 또는 거의 즉시 제공할 수 있는 가열 및 냉각 엔진를 제공하는 것은 바람직하다.
전기 에너지 및 열 에너지를 절연시키는 중앙 절연체를 포함하는 가열 및 냉각 엔진가 제공된다. 중앙 절연체는 상부 표면 및 맞은 편의 하부 표면을 갖는다. 복수의 이격된 열전기 요소가 상부 표면과 하부 표면 사이에서 중앙 절연체에 의해 지지된다. 열전기 요소는 상부 측면 및 맞은 편의 하부 측면을 갖는다. 제1 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바(buss bar)가 중앙 절연체의 상부 표면에 고정되고 적어도 한 쌍의 열전기 요소의 상부 측면에 전기적으로 연결된다. 제2 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바가 중앙 절연체의 하부 표면에 고정되고 적어도 한쌍의 열전기 요소의 하부 측면에 전기적으로 연결되며, 열전기 요소에 의해 제1 및 제2 복수의 부스 바에 열 에너지가 발생된다.
첨부 도면과 연계하여 고려될 때, 후속하는 상세한 설명을 참조로 본 발명의 이점을 잘 이애할 수 있으므로 본 발명의 이점은 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
도 1은 복수의 부스 바의 평면도이다.
도 2는 복수의 대안적인 부스 바의 평면도이다.
도 3은 복수의 열전기 요소의 사시도이다.
도 4는 실리콘(silicone) 중앙 절연체의 사시도이다.
도 5는 울(wool) 중앙 절연체의 평면도이다.
도 6은 하부 판(plate)의 사시도이다.
도 7은 복수의 이격된 부스 바를 지지하는 하부 판의 사시도이다.
도 8은 부스 바 및 중앙 절연체를 지지하는 하부 판의 사시도이다.
도 9는 도 8의 부스 바에 납땜을 도포하는 단계의 사시도이다.
도 10은 중앙 절연체에 안착된 복수의 이격된 열전기 요소의 사시도이다.
도 11은 열전기 요소에 납땜을 도포하는 단계의 사시도이다.
도 12는 열전기 요소에 대해 안착된 복수의 부스 바의 사시도이다.
도 13은 상위 판의 하부 사시도이다.
도 14는 하위 판에 클램핑된 상위 판의 사시도이다.
도 15는 가열 및 냉각 매트의 사시도이다.
도 16은 대안적인 가열 및 냉각 매트의 사시도이다.
도 17은 도 15의 가열 및 냉각 매트의 단면도이다.
도 18은 가열 및 냉각 매트를 사용하는 좌석 조립체의 부분 사시도이다.
도면을 참조하면, 유사한 번호는 몇몇 도면에 걸쳐 유사하거나 대응하는 부분을 지시하고, 표면 구역에 신속한 가열 및 냉각을 제공하도록 사용되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가열 및 냉각 엔진, 또는 매트는, 가열 및 냉각 에너지를 생산하는 복수의 열전기 요소, 열전기 요소로부터의 가열 및 냉각 에너지를 위한 복수의 부스 바, 열전기 요소로부터 생산된 가열 및 냉각 에너지를 분리하고 전기 및 열 절연을 제공하는 중앙 절연체, 부스 바 사이에서 열전기 요소 및 절연체를 기계적으로 결속(bonding)시키고 그들 사이에서 전기적 연결을 만들어내는 납땜 소재를 포함한다.
더욱 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 부스 바는 전체가 10으로 도시되고 일반적으로 구리 또는 알루미늄이 포함되지만 그로 제한되지 않는 임의의 전기적 전도성 소재 및 열적 전도성 소재로 구성된 얇은 정사각형 또는 직사각형 형상의 바를 포함한다. 열전기 요소로부터 표면 구역까지 열 에너지 전달을 최대로 하기 위해, 부스 바(10)의 사이즈는 바람직하게는 가열 및 냉각 매트의 총 표면 구역의 70% 이상으로 이루어진다. 또한, 부스 바(10)의 전기 전도성 소재 및 열 전도성 소재가 가요성이고 사용중인 표면 구역의 형상에 따른 외형을 나타내는 것이 또한 바람직하다. 도 1에서 10으로 도시되는 바와 같이 구리 또는 알루미늄과 같은 적합한 소재는 부스 바를 형성하는 소재의 박(箔) 또는 박판(thin sheet)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 도 2에서 10으로 도시되는 바와 같이 구리 또는 알루미늄의 작은 직경, 가늘고 긴 직조 또는 편조 선이 부스 바를 형성하는데 활용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 정육면체 형상 요소를 형성하는 열전기 요소가 12로 도시된다. 요소(12)는 전기적으로 활성화될 때 요소의 일 측면, 또는 상부 측면(tope side)(14) 상에 저온을, 그리고 요소(12)의 대향 측면, 또는 하부 측면(16) 상에 열을 만들기 위해 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한다. 즉, 추가로 후술되는 바와 같이 일 측면에서의 냉각 및 다른 면에서의 가열의 펠티어 효과를 획득하기 위해 포지티브(P) 및 네거티브(N) 요소(12)는 매트 내에 교대 순서로 배열된다. 각 요소(12)의 치수는 사이즈와 형상이 다양할 수 있으나, 최적화된 치수는 다음 비율: 0.004m<W2/L<0.005m의 입방형에 의해 정의된다. 또한, 많은 소재들이 요소(12)에 적합하지만, 바람직한 소재는 N 및 P 종류 양자에 도핑된 비스무트 텔루라이드 합금(Bismuth Telluride alloy)이다. 또한, 요소(12)는 부스 바(10)의 열 전도성 연결을 돕기 위해 니켈 및/또는 주석으로 도금되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 중앙 절연체는 도 4에서 18로 도시된 주조 실리콘의 평평한 패널(panel) 또는 대안적으로 도 5에서 18'로 도시된 울의 평평한 패널을 포함할 수 있다. 아라미드(aramid) 또는 다른 적합한 고온 절연체 소재도 또한 가능한 대안이다. 도 4의 실리콘 절연체(18)는 내부에 열전기 요소(12)를 수용하고 지지하기 위해 대향하는 상부 표면(22)과 하부 표면(24) 사이에서 연장하는 복수의 이격된 개구부(20)를 포함할 수 있다. 부스 바(10)는 상부 표면(22) 및 하부 표면(24) 양자 상에 배열된다. 중앙 절연체(18, 18')의 목적은 복수의 부스 바(10)를 단락으로부터 전기적으로 절연시켜서 열이 매트의 상부 및 하부로부터 열적으로 역류하지 않게 하는 것이다. 실리콘 중앙 절연체(18) 또는 울의 중앙 절연체(18')는 추가로 후술되는 바와 같이 표면 구역에 따른 외형을 나타낼 수 있게 매우 가요성이고 제자리 리플로우(re-flow) 납땜 방법을 처리하기 위해 높은 내열성을 갖는다.
도 6 내지 도 14를 참조하면, 가열 및 냉각 엔진, 또는 매트를 제조 및 조립하는 방법 및 장치가 도시된다. 첫째로, 도 6은 하부 공동(34)을 정의하는 주연 엣지(32)를 갖는 하부 판(30)을 도시한다. 복수의 이격되고 오목형의(recessed) 위치결정자(36)는 부스 바(10)를 수용하고, 배열하고, 그리고 유지하기 위해 하부 공동(34) 내에 형성된다. 도 7은 하부 판(30) 내의 각 오목형의 위치결정자(36)에 안착한 부스 바(10)를 도시한다. 도 8을 참조하면, 중앙 절연체(18)는 복수의 부스 바(10)의 상부 상의 하부 공동(34)에 안착 되고, 절연체(18)의 각 개구부(20)는 각각의 부스 바(10)의 일 부분을 절연체(18) 아래에 노출시킨다. 도 9에서, 케스터 사(Kester Inc.)로부터 입수할 수 있는 돌업(dollup) 또는 소량의 납땜 소재(38)가 각 개구부(20)에 의해 노출된 각 부스 바(10)의 표면에 도포된다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 열전기 요소(12)의 하부 측면(16)은 부스 바(10)의 상부의 절연체(18)의 각 개구부(20)에 배치되고, 납땜 소재(38)와 접촉한다. 도 10의 가상선으로 도시된 바와 같이, 각 부스 바(10)는 2개의 인접한 열전기 요소(12)를 지지하고 상호 연결한다. 그 후에, 제2 돌업(dollup) 또는 소량의 납땜 소재(38)는 열전기 요소(12)의 상부 측면(14)에 도포된다.
도 12를 참조하면, 또 다른 복수의 부스 바(10)는 제2 양의 납땜 소재에 접촉하여 배치되고, 각 요소(12)의 하부 측면(16)에 대해 일 개구부(20)만큼 오프셋된 배열인 열전기 요소(12)의 상부 측면(14)에 대해 안착된다. 도 13에서, 절연체(18)의 각 개구부(20)에 대응하여 배치된 복수의 등간격으로 이격된 상승된 납땜 패드(42)를 갖는 상위 판(40)이 도시된다. 상위 판(40)은 제2 복수의 부스 바(10)에 대해 가압 되어 납땜 패드(42)가 절연체 내의 개구부(20)와 정렬되고 이에 따라 도 14에 도시된 바와 같이 각 열전기 요소(12)가 절연체 내에 안착된다. 도 15에서 50으로 도시된 바와 같이, 납땜 소재(38)는 가열 및 냉각 엔진, 또는 매트를 형성하기 위해 리플로우 납땜 기술에 최적화되고 전체 조립체를 함께 기계적으로 결속시킨다. 도 15의 매트(50)는 구리 부스 바(10) 및 실리콘 절연체를 포함한다. 도 16은 대안적인 편조 선 부스 바(10') 및 울 절연체(18')를 갖는 유사 매트(50')를 개시한다.
도 17을 참조하면, 가열 및 냉각 매트(50)의 단면도가 도시되고 열전기 요소(12)는 이격되고 중앙 절연체(18)의 개구부(20)에 안착된다. 그러나, 상부 측면(14)으로부터 일 개구부(20)가 이격되거나 오프셋된 대안적인 패턴에서, 납땜 소재(38)는 각 제1 복수의 부스 바(10)를 이격된 인접한 한 쌍의 열전기 요소(12)의 상부 측면(14)에 전기적으로 결속시키고 각 제2 복수의 부스 바(10)를 이격된 인접한 한 쌍의 열전기 요소(12)의 하부 측면(16)에 결속시킨다.
예를 들어, 일반적으로 기술 분야에 공지되어있고 도 18에서 60으로 도시되는 바와 같이, 자동차 좌석 산업에서 사용 시, 좌석 조립체는 일반적으로 차량 내의 착석자를 지지하는 수평 좌석 쿠션을 포함한다. 좌석 쿠션은 일반적으로 천, 비닐 또는 가죽인 트림 커버(64)에 넣어진 몰딩된 탄력 있는 셀형 폼 패드(62)를 일반적으로 포함한다. 폼 패드(62)는 착석자에게 탄력 있는 지지를 제공한다. 그러나, 현재 폼 패드(62)는 대략 0.043W/m-K의 매우 낮은 열 전도성을 갖고, 이와 같이, 열은 착석자와 폼 패드(62) 사이에 축적될 수 있다. 착석자 안락함을 제공하기 위해 좌석 조립체 내에 전기 가열 패드와 같은 가열 또는 냉각 메커니즘을 제공하는 것이 일반적으로 공지되어있다. 그러나, 폼 패드(62)는 단열재로서 역할을 하고, 이에 따라, 필요한 가열 및 냉각 효과는 사용자가 느끼기에 상당한 시간이 걸린다. 또한, 폼 패드의 단열 효과를 극복하기 위해서 가열 및 냉각 메커니즘의 전력 수준은 충분해야한다. 본 발명인 가열 및 냉각 매트(50)는 전력 사용량을 최소화하면서 가열 및 냉각 효과를 증가시키고 사용자가 느끼는 시간을 감소시키기 위해 폼 패드(62)와 좌석 조립체의 트림 커버(64) 사이에 안착될 수 있다. 또한 매트(50)는 착석자에게 안락함을 유지하면서 최적의 효율을 얻고 가열 및 냉각 효과를 최대로 하기 위해 얇고, 가요성이고 다양한 사이즈나 구성으로 사용될 수 있다.
가열 및 냉각 엔진, 또는 매트는 좌석 쿠션, 좌석 등받이, 가구, 침구류 및 효과적인 가열, 냉각 또는 전력 발생이 필요한 다른 출원에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 발명은 예시적인 방식으로 설명되었으며, 사용된 용어는 본질적으로 제한보다는 설명을 위한 것임을 이해해야 한다. 상기 교시 내용을 바탕으로 본 발명의 많은 변경 및 변형이 가능하다. 이에 따라, 첨부된 청구항의 범주 내에서, 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명된 바와 달리 실시될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 가열 및 냉각 엔진이며,
    전기 에너지 및 열 에너지를 절연시키는 중앙 절연체로서, 상기 중앙 절연체는 상부 표면 및 맞은 편의 하부 표면을 갖는, 중앙 절연체,
    상기 상부 표면 및 상기 하부 표면 사이에서 상기 중앙 절연체에 의해 지지되는 복수의 이격된 열전기 요소로서, 상기 열전기 요소는 상부 측면 및 맞은 편의 하부 측면을 갖는, 열전기 요소,
    상기 중앙 절연체의 상기 상부 표면에 고정되고 적어도 한 쌍의 상기 열전기 요소의 상기 상부 측면에 전기적으로 연결되는, 제1 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바,
    상기 중앙 절연체의 상기 하부 표면에 고정되고 적어도 한쌍의 상기 열전기 요소의 상기 하부 측면에 전기적으로 연결되는, 제2 복수의 전기 전도성 및 열 전도성 부스 바를 포함하고,
    열 에너지가 상기 열전기 요소에 의해 상기 제1 및 제2 복수의 부스 바에 발생되는, 가열 및 냉각 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전기 요소는 상기 제1 복수의 부스 바와 상기 제2 복수의 부스 바 사이에 납땜되는, 가열 및 냉각 엔진.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 복수의 부스 바는 상기 제2 복수의 부스 바에 대해 적어도 하나의 열전기 요소에 의해 배열 및 오프셋되는, 가열 및 냉각 엔진.
  4. 제3항에 있어서, 중앙 절연체는 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에서 연장하는 복수의 이격된 개구부를 포함하는, 가열 및 냉각 엔진.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열전기 요소 중 하나는 상기 중앙 절연체의 상기 개구부 각각에서 오목형인, 가열 및 냉각 엔진.
  6. 제3항에 있어서, 상기 열전기 요소는 펠티어 디바이스인, 가열 및 냉각 엔진.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중앙 절연체는 실리콘 층인, 가열 및 냉각 엔진.
  8. 제6항에 있어서, 상기 중앙 절연체는 울 층인, 가열 및 냉각 엔진.
  9. 제6항에 있어서, 상기 부스 바들은 구리 또는 알루미늄 시트(sheet)인, 가열 및 냉각 엔진.
  10. 제6항에 있어서, 상기 부스 바들은 편조 선으로 구성된, 가열 및 냉각 엔진.
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