JP2020519845A - Heated cooling technology including technology with temperature controlled pad wrap and liquid system - Google Patents
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Abstract
【課題】座部または座部アセンブリ等を加温および／または冷却するための改良された技術を提供する。【解決手段】少なくとも一つの一体型低電圧加温冷却源と、表面に熱および冷熱を分布させるための、３７５から４０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する効率的な可撓性熱分布手段とを備えた、加温冷却装置が開示されている。更なる態様は、完全な熱的接触を与えるための熱界面化合物と、外部からの電気的入力の使用なしに、長時間持続する加温および／または冷却効果を与える相変化材料の使用を含む。好ましい用途には、車および家具の座部の加温冷却、および、分布した加温冷却効果を有する屋外用衣類を含む。追加の態様には、熱／冷熱分布用の熱パッド・ラップおよび熱伝導性液体システムを含む。【選択図】図２５PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an improved technique for heating and/or cooling a seat or a seat assembly or the like. Kind Code: A1 At least one integrated low voltage heating and cooling source, and an efficient flexible heat distribution means having a thermal conductivity of 375 to 4000 W/mK for distributing heat and cold to the surface. A heating and cooling device provided is disclosed. A further aspect includes the use of a thermal interface compound to provide complete thermal contact and a phase change material that provides a long lasting heating and/or cooling effect without the use of external electrical input. .. Preferred applications include warming cooling of car and furniture seats, and outdoor garments having a distributed warming cooling effect. Additional aspects include thermal pad wraps for heat/cold heat distribution and thermally conductive liquid systems. [Selection diagram] Fig. 25
Description
本願は、２０１５年１１月１６日に出願された国際ＰＣＴ出願Ｎｏ．：ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０６０９５５の一部継続出願であり、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に基づき、２０１４年１１月１４日に出願された米国仮出願第６２／０８０，０７２号、２０１５年１１月１６日に出願された国際ＰＣＴ出願Ｎｏ．：ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０６０９５５、２０１４年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／０８０，０７２号、２０１６年６月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／３５３，９８７号、２０１７年３月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／４７３，９６６号、２０１７年９月２７日に出願された仮特許出願第６２／５６３，７０２号の優先権を主張する。 The present application is directed to International PCT application No. 1 filed on Nov. 16, 2015. : Partial continuation application of PCT/US2015/060955, 35U. S. C. 119(e), US provisional application No. 62/080,072 filed on November 14, 2014, International PCT application No. 6 filed on November 16, 2015. : PCT/US2015/060955, US provisional patent application No. 62/080,072 filed on November 14, 2014, US provisional patent application No. 62/353,987 filed on June 23, 2016 , U.S. Provisional Patent Application No. 62/473,966, filed March 20, 2017, and Provisional Patent Application No. 62/563,702, filed September 27, 2017.
（共同研究契約の当事者の名称）
該当なし
（コンパクトディスク上でまたは特許庁電子出願システム（ＥＦＳ ＷＥＢ）を介してテキストファイルとして提出されたデータの参照による援用）
該当なし
（発明者または共同発明者による先開示の陳述）
該当なし
(Name of the party to the joint research contract)
Not Applicable (Incorporated by reference to data submitted as a text file on a compact disc or via the Patent Office Electronic Filing System (EFS WEB))
Not applicable (Statement of prior disclosure by the inventor or co-inventor)
Not applicable
本発明は、ＯＥＭおよびアフターマーケットの加温／冷却装置に用いられる、被加温冷却アセンブリ、その製造方法、およびその使用方法に関する。より詳しくは、本発明は、自動車用座部、医療用容器、あらゆる種類のオフィス家具、食品加温装置、および衣料品を加温冷却するための伝導性伝熱システムに関する。 The present invention relates to a heated cooling assembly for use in OEM and aftermarket heating/cooling devices, a method of manufacturing the same, and a method of using the same. More particularly, the present invention relates to a conductive heat transfer system for heating and cooling automobile seats, medical containers, office furniture of all kinds, food heating devices, and clothing.
同時係属の米国特許出願第１５／５２６，９５４号の対象は、参照により完全に援用される。 The subject matter of co-pending US patent application Ser. No. 15/526,954 is fully incorporated by reference.
従来の乗り物用座部、家具用座部、医療用容器、食品加温装置および衣料品用の加温冷却システムは、当業者によく知られており、最も一般的なタイプの強制空気加温冷却システムの一つとして、自動車用座部、座部アセンブリまたは衣料品内に、強制空気加温装置および／または冷却装置を備えたものがある。従来の被加温製品は、とりわけ、非効率な電気抵抗加温機構を備えている。使用されている他の加温方法としては、化学反応型システムがあり、化学反応型システムは、効率は良いかもしれないが、作動の都度、新たな消費を必要とする。 Conventional vehicle seats, furniture seats, medical containers, food heating devices and heating and cooling systems for clothing are well known to those skilled in the art and are the most common type of forced air heating. One cooling system includes a forced air warming device and/or a cooling device in a vehicle seat, seat assembly or garment. Conventional heated products include, among other things, an inefficient electrical resistance heating mechanism. Other warming methods that have been used include chemically reactive systems, which may be efficient but require a new consumption each time they are activated.
これら強制空気加温冷却システムの発明の実施者は、これら従来技術が呈するいくつかの問題に気付いた。車の製造者と消費者を特に悩ましてきた問題の一つは、これらのシステムが、空気を伝熱媒体として用いる熱伝達に関連する非効率性により、大量のエネルギを使用することである。これらエネルギ消費問題とともに、内部空間に関する懸念を生じさせる、他の複雑さも存在する。 The practitioners of the inventions of these forced air heating and cooling systems have noticed some of the problems presented by these prior art. One of the problems that has particularly plagued car manufacturers and consumers is that these systems use large amounts of energy due to the inefficiencies associated with heat transfer using air as the heat transfer medium. Along with these energy consumption issues, there are other complications that raise concerns about interior space.
被加温衣料品（主にオートバイ愛好家とアウトドア愛好家用）は、ちょうど古い型の電気毛布のように、衣料品全体に配置された電気抵抗線を使用してきた。一般的に、電気線を使用するオートバイ用ジャケットは、装置に継続的に電力を供給するために、オートバイに接続する必要があった。 Heated garments (mainly for motorcycle lovers and outdoor enthusiasts) have used electrical resistance wires placed throughout the garment, much like old-style electric blankets. In general, motorcycle jackets that use electrical lines needed to be connected to the motorcycle to provide continuous power to the device.
ジャケットに縫い込まれた熱を分布させるための電熱線の組を備えた、電気的に加温されるジャケットに関する従来技術の発明の実施者は、これら従来技術の発明が呈するいくつかの問題に気付いた。これら従来技術の装置の多くは、単一の装置で加温と冷却の両方が可能でないことに加えて、特に使用者を悩ませてきた問題は、温度をデジタルで調節できないことと、一般的に熱が均一に分散されないことだった。加温と冷却の両方が可能な装置は、加温または冷却された流体を管や袋等に流す熱交換器からの循環流体を使用する。複雑なために、熱い箇所や冷たい箇所が生じる。 The practitioner of the prior art inventions for electrically warmed jackets with a set of heating wires for distributing the heat sewn into the jacket was found to have some problems presented by these prior art inventions. Noticed. Many of these prior art devices, in addition to not being able to both heat and cool with a single device, have been particularly troublesome to the user: the inability to adjust temperature digitally and the common The heat was not evenly distributed in the. A device capable of both heating and cooling uses a circulating fluid from a heat exchanger that causes a heated or cooled fluid to flow through a tube, bag or the like. Due to the complexity, hot and cold spots occur.
本発明は、また、温度調節パッド・ラップ、その製造方法およびその使用方法に関する。より詳しくは、本発明は、熱分散性シート状材料によって分布させられる実質的に均一な熱伝達を有する加温冷却パッドに関する。 The present invention also relates to a temperature controlled pad wrap, a method of making the same, and a method of using the same. More specifically, the present invention relates to a heated cooling pad having substantially uniform heat transfer distributed by a heat dispersible sheet material.
風雨に曝される屋外にいるどの人にとっても、また、特に、軍人、アウトドア愛好家、オートバイ愛好家、建設作業員、医学または理学療法で膝や肘、背中、肩またはその他の身体領域等の、身体部分の治療を補助する目的で加温および／または冷却を必要とする人々、および、運送業に従事する人々にとっては、シンプルなデザインで熱と冷熱を均一に分散させることのできる温度調節ボディーラップまたは衣類、および、これらラップの製造方法、または、それらの使用方法が提供されることは望ましいであろう。 For any person outdoors exposed to the elements, especially military personnel, outdoor enthusiasts, motorcycle enthusiasts, construction workers, medical or physical therapy such as knees and elbows, back, shoulders or other body areas. For people who need heating and/or cooling to assist in the treatment of body parts, and those who work in the transportation industry, a temperature control that can evenly distribute heat and cold with a simple design. It would be desirable to be provided with body wraps or garments and methods of making these wraps or methods of using them.
最近乗り物を購入した人であれば誰もが知っているように、被加温座部は非常に人気が高い。被加温座部は、多くの用途で使用が可能だろうが、焦点として扱うのは、公衆に購入される被加温／冷却座部として最も販売量の多い自動車である。座部の加温・冷却機構は、以下でより詳細に記載される他の多くの用途にとっても、明らかに、有用であると考えられる。 As anyone who recently bought a vehicle knows, the heated seat is very popular. The heated seat may have many uses, but the focus is on the most sold heated/cooled seats purchased by the public. The seat heating/cooling mechanism is clearly believed to be useful for many other applications as described in more detail below.
自動車用座部の加温冷却は、既存システムに改良すべき点があるにも関わらず、自動車購入者によって広く選択されている、望ましい特徴である。これら技術を刷新して、電力消費を減らし、新しい材料および技術を使用すれば、加温および冷却の伝達を助け、望ましくは結露の発生を最小限にできるので、座部業界におけるいかなる用途にとっても有益である。 Heated cooling of vehicle seats is a desirable feature that is widely selected by vehicle buyers despite the improvements to existing systems. Innovating these technologies to reduce power consumption and use new materials and technologies can help transfer heating and cooling and desirably minimize the formation of condensation, making it ideal for any application in the seat industry. Be beneficial.
座部業界は、加温および／または冷却率の高い、１方向および２方向の両方の伝熱材料を探してきた。さらに、エネルギ消費量が少ない一方で、全加温表面にわたって一貫した加温冷却が、業界では歓迎されると考えられる。 The seat industry has sought both unidirectional and bidirectional heat transfer materials with high heating and/or cooling rates. In addition, consistent heating and cooling across all heated surfaces, while consuming less energy, is considered welcome in the industry.
従来技術は、通常、空気流に依存した空気分布モデルを有する強制対流加温システムを含む。座部上の着座者の体重が増加するにつれて、空気流の質が低下する。これらのケースでは、望ましくないヒートシンク抵抗が存在する。マイクロ熱モジュールを含む従来利用可能な被加温座部技術においては、座部のクッションに出ていく加温または冷却された空気を供給するために、熱交換器とともにペルチェ回路が使用されていた。空気分配方法は、有孔の革製の第１上層と、従来のスクリム材の上に配置された分布層と、続く、発泡体内に成形されたチャネルによる下部のクッションを含むことがあるが、この空気分配方法によって、問題が生じる。加温および冷却が非効率的であることが示されており、また、空気流の通路のために、かなりのスペースを必要としている。この、世間に受け入れられている従来の標準は、比較的コストは低いものの、使用されるエネルギの量を考慮すると、非効果的である。さらに、従来技術の方法に関しては、結露の発生も懸念される。 The prior art typically includes a forced convection heating system with an air flow dependent air distribution model. As the weight of the occupant on the seat increases, the quality of the airflow decreases. In these cases, there is an undesirable heat sink resistance. Previously available heated seat technology, including micro-heat modules, used a Peltier circuit with a heat exchanger to supply heated or cooled air exiting the seat cushion. .. The air distribution method may include a first upper layer of perforated leather, a distribution layer disposed over conventional scrim material, followed by a lower cushion of channels molded within the foam, Problems arise with this method of air distribution. Heating and cooling have been shown to be inefficient and require significant space for the air flow passages. This relatively accepted conventional standard, although relatively low in cost, is ineffective given the amount of energy used. Furthermore, with respect to the method of the prior art, there is a concern that condensation may occur.
もちろん、予測できることとして、運転中に、それらの乗り物を運転している人々が乗り物内で飲もうとしてファーストフード・レストランからテークアウトしたソーダやコーヒー等の液体が零れることは、起こるはずである。これらの零れた液体は、座部の布地を通り抜けて座部の内部に入り込み、カビの発生や悪臭および細菌の繁殖を引き起こす可能性がある。 Of course, predictably, during driving, it should happen that people driving those vehicles spill liquids such as soda and coffee taken out of the fast food restaurant to drink in the vehicle. These spilled liquids can pass through the seat fabric and into the seat, causing mold formation, malodor and bacterial growth.
業界のもう一つの要望は、複雑さとコストを増加させる追加のセンサを付加することなしに、座部着座者の熱的状態を監視することである。 Another need in the industry is to monitor the thermal status of the seat occupant without adding additional sensors that increase complexity and cost.
さらに、座部製造者のもう一つの共通の要望は、乗り物に入ってきた際の座部着座者の快適性を向上させるために、乗り物が走行していない間に使用する熱エネルギを蓄積または放出する、より長時間の熱蓄積能力を保持できる、座部である。 In addition, another common desire of seat manufacturers is to store or use the thermal energy used while the vehicle is not in motion to improve the comfort of the seat occupant when entering the vehicle. It is a seat that can retain the long-term heat storage capacity to be released.
従って、座部または座部アセンブリを加温および／または冷却できる改良された伝導性の熱伝達を伴う新しい代替技術が、座部の製造方法または座部を加温冷却するためのそれらの使用方法とともに、提供されることは、乗り物用座部の業界にとって望ましいと考えられる。そのような新技術の検討は、業界にとって有益であろう。熱電デバイスを利用した伝導性伝熱システムの利用により、一定の技術的利益が実現されうる。 Thus, new alternative techniques with improved conductive heat transfer that can heat and/or cool the seat or seat assembly, are methods of manufacturing seats or their use to heat and cool seats. Also, it is considered desirable for the vehicle seat industry to be provided. Consideration of such new technologies would be beneficial to the industry. Certain technical benefits may be realized through the use of conductive heat transfer systems utilizing thermoelectric devices.
上述した業界の要望に基づき、本発明は、伝導性伝熱モデル、その製造方法、その制御方法、および、座部を加温冷却するためのそれらの様々な使用方法を含む、様々な態様を提供する。本発明は、加温冷却デバイス、好ましくは、より多くの表面領域にわたって熱または冷熱を分布させるための少なくとも１つの熱伝導性材料層と接着して組み合わせた、新たな改良された熱電モジュールを含む。本発明は、加温冷却の分布を最大化するとともにエネルギ消費を最小化できるので、従来技術に伴う上述の問題の多くを克服できる。 Based on the industry needs described above, the present invention provides various aspects, including conductive heat transfer models, methods of making the same, methods of controlling the same, and various uses thereof to heat and cool the seat. provide. The present invention comprises a new and improved thermoelectric module adhesively combined with a heating and cooling device, preferably at least one layer of thermally conductive material for distributing heat or cold over more surface area. .. The present invention maximizes the distribution of heating and cooling and minimizes energy consumption, thus overcoming many of the problems associated with the prior art.
オプションとして相変化材料の構成を組み込むことにより、座部アセンブリ自体に直接に熱を蓄積できないという問題や、長時間にわたる熱的能力を延長する方法がないことによって生じる問題が、軽減される。既存システムに対する改良は、また、座部の冷却加温を向上させ、結露を生じさせないための、新たな材料と新たな熱電技術とともに、情報フィードバック・ループを提供可能な検知技術を含んでいてもよい。 Incorporating the optional phase change material configuration mitigates the problems of not being able to directly store heat in the seat assembly itself, and the lack of ways to extend the thermal capacity over time. Improvements to existing systems also include sensing technology that can provide an information feedback loop, as well as new materials and new thermoelectric technology to improve seat cooling and heating and prevent condensation. Good.
本発明に関する、期待される範囲と種々の態様に関する性質と有利な効果を更に理解するためには、以下の詳細な説明と図面を参照するべきである。以下において、同様の部材には同じ符号が付されている。 For a better understanding of the nature and advantages of the various aspects associated with the anticipated scope of the present invention, reference should be made to the following detailed description and drawings. In the following, similar members are designated by the same reference numerals.
以下、一定の特徴を有する具体的な態様の例を挙げて発明を説明するが、実施者側の実験を必要としない小さな改変は、本発明の範囲と広がりの中に含まれることも理解されるべきである。本発明の追加の効果および他の新たな特徴は以下で説明されるが、また、特に、当業者にとっては、検討により明らかになるか、または、本発明の実施によって学習されうるであろう。このため、本発明は、他の多くの様々な態様が可能であり、その詳細に関しては、当業者にとって自明で本発明の精神から逸脱しない様々な態様の改変が可能である。よって、明細書のこれ以降の記載は、限定的というよりは、例示的であると見なすべきである。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples of specific embodiments having certain characteristics, but it is also understood that small modifications that do not require experimentation by the practitioner are included in the scope and scope of the present invention. Should be. Additional advantages and other novel features of the present invention are described below, and will also be apparent to those of ordinary skill in the art, upon study or learning by practice of the invention. Thus, the present invention is capable of many other various aspects, and its details can be modified in various aspects which are obvious to those skilled in the art and do not depart from the spirit of the present invention. Therefore, the remainder of the specification should be considered exemplary rather than limiting.
上記した有利な効果を業界に提供するために、本発明は、構成要素の独特な組み合わせを使用した新規の構成を提案する。本発明の加温および／または冷却される座部、衣類または熱制御箱の最も単純な態様においては、一体型加温冷却デバイス、好ましくは熱電デバイスが、領域内の温度差を分散させるための可撓性熱伝導性材料に結合される。基本的に、熱電モジュールは、加温／冷却源として働き、一方、熱伝導性材料は、熱／冷熱を、より広い表面領域にわたって分布させる。 In order to provide the industry with the above-mentioned advantageous effects, the present invention proposes a new construction using a unique combination of components. In the simplest aspect of the heated and/or cooled seat, garment or thermal control box of the present invention, an integrated heating and cooling device, preferably a thermoelectric device, is provided for distributing the temperature difference within the area. Bonded to a flexible thermally conductive material. Basically, the thermoelectric module acts as a heating/cooling source, while the thermally conductive material distributes heat/cold heat over a larger surface area.
つまり、熱電モジュールを、加温および／または冷却の一体型の源として使用することができ、これらの熱電モジュールが熱伝導性材料と熱的に接触すると、熱伝導によって、加温または冷却された温度の効果が、より広い表面領域に広がる。温度勾配を得て座部を加温または冷却するためには、温度差を座部表面のより広い分布領域に広げるため、黒鉛等の炭素系材料を使用することが好ましい。新しい、黒鉛の含まれる材料は、銅の１から５倍の熱伝導率を有し、熱伝導による伝熱を産業利用可能としている。これは、強度と可撓性を備え、高い熱伝導率を有する一方で、狭い領域を熱伝導によって加温冷却することにも利用できる。もちろん、材料は、長年にわたって人々が座部に乗り降りするのに耐えられるように、十分な耐久性を有していなければならない。 That is, the thermoelectric modules can be used as an integrated source of heating and/or cooling, and when these thermoelectric modules are in thermal contact with the thermally conductive material, they are heated or cooled by heat conduction. The effect of temperature extends over a larger surface area. In order to obtain a temperature gradient and heat or cool the seat portion, it is preferable to use a carbon-based material such as graphite in order to spread the temperature difference over a wider distribution region of the seat surface. The new material containing graphite has a thermal conductivity 1 to 5 times higher than that of copper, which makes heat transfer by heat conduction industrially applicable. It has strength and flexibility, and has high thermal conductivity, while it can also be used for heating and cooling a narrow region by heat conduction. Of course, the material must be durable enough to withstand many years of people getting on and off the seat.
そのような優れた伝熱構造システムには、最近開発された熱電材料、特に、テルル化ビスマスから作られる材料を使用できる。これらの新しい材料は、約２℃の漸進的な進歩を遂げた。これら２℃の温度変化は、「ほぼ冷たい」と「冷たい」の間の差異を意味しうる。これは、業界にとって、座部上に冷却を提供するための新たな道を開くことになるだろう。熱電デバイスにおける材料の進歩は、改良された強制空気システムにおいても、本発明の全く新たな構想のためにも使用できる。熱電デバイスは、固体状態のデバイスであり、これら固体状態の冷却デバイスは、新しい熱電合金と結晶成長過程によって得ることができる。 Recently developed thermoelectric materials, especially materials made from bismuth telluride, can be used for such superior heat transfer structural systems. These new materials have made gradual progress of about 2°C. These 2° C. temperature changes can mean the difference between “nearly cold” and “cold”. This will open up new avenues for the industry to provide cooling on the seat. Material advances in thermoelectric devices can be used both in improved forced air systems and for the entirely new concept of the invention. Thermoelectric devices are solid-state devices, and these solid-state cooling devices can be obtained by new thermoelectric alloys and crystal growth processes.
以下、基本的構成と、加温冷却態様を向上させるためのオプションの構成要素との様々な組み合わせについて詳述することにより、本発明の様々な態様の例について、より詳細に説明する。これら様々な態様は、以下の段落において、構成要素単位のオプションにまで分解して説明される。 Examples of various aspects of the present invention are described in more detail below by detailing various combinations of basic configurations and optional components for improving heating and cooling aspects. These various aspects are described in the following paragraphs, broken down into component-based options.
I．熱電モジュールと熱伝導性材料の組み合わせ
ａ．熱電モジュール
最も基本的な構成において、本発明は、熱または冷熱を拡散させるための可撓性熱伝導性材料に取り付けられて熱的に接続された、一体型加温冷却デバイス、特に、熱電加温冷却デバイスの使用を含む。これは、何らかの座部アセンブリの座部の下に使用すると特に有用である。使用される熱電デバイスは、どのような従来の熱電デバイスでもよいが、好ましくは、テルル化ビスマスをベースとするデバイスである。これらデバイスは、自動車の電気的要件および他の低電圧用途と適合する範囲である、１０から１６ＶＤＣで、効率的に作動しなければならない。好ましくは、使用される熱電デバイスは、１２７対のテルル化ビスマスをベースとするデバイスであり、ミシガン州トラヴァース市のＴｅｌｌｕｒｅｘ社から、商業的に入手可能なものもある。
I. Combination of thermoelectric module and thermally conductive material
a. Thermoelectric Module In its most basic configuration, the present invention provides an integrated heating and cooling device, particularly a thermoelectric heating device, attached to and thermally connected to a flexible thermally conductive material for diffusing heat or cold. Includes the use of heating and cooling devices. This is particularly useful when used under the seat of some seat assembly. The thermoelectric device used can be any conventional thermoelectric device, but is preferably a bismuth telluride based device. These devices must operate efficiently at 10 to 16 VDC, a range that is compatible with automotive electrical requirements and other low voltage applications. Preferably, the thermoelectric devices used are 127 pairs of bismuth telluride based devices, some of which are commercially available from Tellurex, Inc., Traverse, Michigan.
効率を上げるために、より対の数の多いデバイスを使用することも可能であるが、費用対効果の分析を基準として用いて、各用途および様々な座部アセンブリのための熱電モジュールの構成を決定する。もしも、性能や低価格性を向上させるような、異なる化学物質または機械構成で作られた熱電デバイスまたは他の固体デバイスが開発されることがあれば、これらを本発明に利用できることは明らかである。 A higher number of pairs of devices can be used to increase efficiency, but a cost-effective analysis can be used as a basis to determine the thermoelectric module configuration for each application and various seat assemblies. decide. If thermoelectric devices or other solid state devices made of different chemicals or mechanical configurations are developed to improve performance or low cost, it is obvious that they can be used in the present invention. ..
態様によっては、熱電モジュールのサイズを大きくし、これによって後述の熱伝導性材料との直接接触面積を増加させるように、熱電モジュールは、より間隔をあけて配置されたＰとＮの対を含むことができる。このような態様においては、同様に熱の流れをより広い面積に拡散し、熱伝導性材料のためのより広い接触面積を提供する、伝熱ブロックの必要を軽減できる。熱電モジュール用のもう一つの制御方法として、パルス幅変調方式の使用が可能である。 In some embodiments, the thermoelectric module includes more spaced P and N pairs to increase the size of the thermoelectric module and thereby increase the direct contact area with the thermally conductive material described below. be able to. In such an embodiment, the need for a heat transfer block, which also spreads the heat flow over a larger area and provides a larger contact area for the thermally conductive material, can be reduced. As another control method for thermoelectric modules, pulse width modulation can be used.
ｂ．熱伝導性材料
本発明の第１態様の他の部材として、熱電モジュールによって発生した熱および冷熱を熱電デバイス自体の表面より広い領域にわたって分布させるのに適した熱伝導性材料を含む。着座や何万回もの乗り物用座部への乗り降りに耐え得る頑丈な熱伝導性伝熱材料は種々多く存在するが、最も一般的なものとしては、銅製のシートまたは織物、熱伝導性ポリマー、炭素繊維布または黒鉛布のような炭素系伝導性材料といった熱伝導性材料が含まれ、また、最近利用可能となったグラフェン・ナノプレートレット・シートも含まれる。炭素系材料は高熱伝導性であるのに加えて強度と可撓性を備えているため、特に、本発明に適している。
b. Heat Conductive Material Another member of the first aspect of the present invention includes a heat conductive material suitable for distributing heat and cold generated by the thermoelectric module over a wider area than the surface of the thermoelectric device itself. There are many tough, heat-conducting heat transfer materials that can withstand sitting and tens of thousands of rides to and from vehicles, but the most common are copper sheets or fabrics, heat conducting polymers, Included are thermally conductive materials such as carbon-based conductive materials such as carbon fiber cloth or graphite cloth, as well as recently available graphene nanoplatelet sheets. The carbon-based material is particularly suitable for the present invention because it has strength and flexibility in addition to high thermal conductivity.
単層の原子の厚みを有するグラフェンは、熱電伝導率が非常に高く、ＸおよびＹ軸方向で、２，０００から４０００ワット／メートル・ケルビンである。しかし、実用上は、Ｚ方向の断面積がないので、実際に伝達され得る熱量は低い。言い換えれば、断面積当たりの熱伝導率は非常に高いが、断面積がゼロに近づけば、実際の熱伝達は非常に小さくなる。 Graphene, which has a monolayer atomic thickness, has a very high thermoelectric conductivity, 2,000 to 4000 watts/meter Kelvin in the X and Y axis directions. However, in practice, since there is no cross-sectional area in the Z direction, the amount of heat that can actually be transferred is low. In other words, the thermal conductivity per cross-section is very high, but as the cross-section approaches zero, the actual heat transfer is very small.
このため、実際の用途に使用できるグラフェンとしては、しばしばプレートレット、ナノプレートレット、ナノチューブおよび／またはナノ粒子の形態である、多層のグラフェンを使用することが好ましい。この形態のグラフェン・プレートレットを使用すると、断面積当たりの熱伝導率は低下するが、Ｚ方向の厚みによる断面積が比較的大きいため、全体として、熱伝達を非常に大きくすることができる。さらに、これらのより厚いグラフェン材料は、特に、薄いポリマー・フィルムに結合すると、容易に取り扱うことができる。この材料の開発が進歩するにつれて、熱伝導率も、「理論上の」限界にどれだけ近づけるかはわからないが、現在到達した２，０００〜４，０００Ｗ／ｍＫを超えて上昇すると考えられる。 For this reason, it is preferable to use multilayer graphene, which is often in the form of platelets, nanoplatelets, nanotubes and/or nanoparticles, as graphene that can be used in practical applications. When this form of graphene platelets is used, the thermal conductivity per cross-sectional area is reduced, but since the cross-sectional area due to the thickness in the Z direction is relatively large, overall heat transfer can be made very large. Furthermore, these thicker graphene materials are easy to handle, especially when bonded to thin polymer films. As the development of this material progresses, it is believed that the thermal conductivity will also rise above the currently reached 2,000-4,000 W/mK, although it is not known how close to the "theoretical" limit is reached.
以下に開示する例で使用する熱伝導性材料には、熱伝導率が４００〜６００Ｗ／ｍＫのものもあれば、２０００〜４０００Ｗ／ｍＫのものもある。薄い４００〜６００Ｗ／ｍＫの材料を多層で使用することにより、熱伝導率を１，５００Ｗ／ｍＫまで上げることができる。もちろん、薄い層を多層にするという方法はコストを上げ、非実用的で、加工が難しいが、確かに可能性はある。４００〜２，０００Ｗ／ｍＫ、またはこれと同等の範囲の材料として、低コストで、より高い熱伝導率を有するグラフェンが利用可能になりつつある。 Some of the thermally conductive materials used in the examples disclosed below have a thermal conductivity of 400 to 600 W/mK, and some have a thermal conductivity of 2000 to 4000 W/mK. By using thin 400-600 W/mK material in multiple layers, the thermal conductivity can be increased to 1,500 W/mK. Of course, the method of making thin layers into multiple layers is costly, impractical, and difficult to process, but there are certainly possibilities. As a material in the range of 400 to 2,000 W/mK, or equivalent, graphene having higher thermal conductivity at low cost is becoming available.
さらに、熱分解黒鉛シート材料は、試験で７００〜８００Ｗ／ｍＫの、より高い熱伝導率を示し、１，５００Ｗ／ｍＫの材料も含まれていた。熱分解黒鉛シート材料は、熱伝導性材料として適している。ピッチ系炭素繊維布の一つである熱分解黒鉛繊維クロスは、日本の三菱樹脂から購入可能であり、８００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を示した。これは、布であるため、可撓性に優れていた。しかし、最初の試験で、布の織り方が交差織りであると熱を運ぶ役割を果たさないことが示された。例えば、この試験では、熱分解黒鉛繊維クロスは、３インチ×３インチの伝導板に結合された。熱伝導経路と直線的な撚り糸は熱を運んだが、交差織りの材料繊維は、一旦、伝導板の領域を離れると、熱の流れと直角になり、好ましい熱を伝達する撚り糸と、撚り糸同士が合うサーキュラーポイントでのみ接触する。このため、全ての繊維を熱的に結合させるために、熱接着剤を使用してもよい。 Further, the pyrolytic graphite sheet material showed a higher thermal conductivity of 700 to 800 W/mK in the test, and a material of 1,500 W/mK was also included. Pyrolytic graphite sheet material is suitable as a thermally conductive material. Pyrolytic graphite fiber cloth, which is one of pitch-based carbon fiber cloths, can be purchased from Mitsubishi Plastics of Japan and has a thermal conductivity of 800 W/mK. Since this was a cloth, it was excellent in flexibility. However, initial trials have shown that the cloth weave does not play a heat-carrying role when it is a cross weave. For example, in this test, a pyrolytic graphite fiber cloth was bonded to a 3 inch by 3 inch conductive plate. The heat transfer paths and the linear twisted yarns carried heat, but the cross-woven material fibers, once leaving the area of the conductive plate, are at right angles to the flow of heat, and the twisted yarns and the twisted yarns that transfer the desired heat Contact only at matching circular points. For this reason, a thermal adhesive may be used to thermally bond all the fibers together.
効果の差はあれ、いかなる熱伝導性材料も使用することはできるが、本発明のために好ましい熱伝導材料としては、厚みと構成に応じて３７５Ｗ／ｍＫから２０００〜４０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する、グラフェン・ナノプレートレット材料が含まれる。一方、商業的に入手可能な、６５０〜１５５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する熱分解黒鉛シート、および、８００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する熱分解黒鉛繊維織物も、適している。 Although any heat conductive material can be used with different effects, a preferable heat conductive material for the present invention has a thermal conductivity of 375 W/mK to 2000 to 4000 W/mK depending on thickness and constitution. Graphene nanoplatelet material having On the other hand, commercially available pyrolytic graphite sheets having a thermal conductivity of 650 to 1550 W/mK and pyrolytic graphite fiber fabrics having a thermal conductivity of 800 W/mK are also suitable.
好ましくは、最良の炭素系熱伝導性材料は、補強のために薄いプラスチック・シートに接着されたグラフェン・ナノプレートレットのシート状材料である。グラフェンの熱伝導率は銅の２倍以上であるので、この用途に適する材料である。このようなグラフェン・ナノプレートレット・シートは、好ましくは厚みが５マイクロメータから５００マイクロメータであり、オプションとして、より高い強度と、座部に乗り降りする人によって常にかけられる圧力や変形に対する抵抗性を呈することができるように、ポリエチレン製の薄いプラスチック・シートまたは他の何らかの適する基板に結合されてもよい。 Preferably, the best carbon-based thermally conductive material is a sheet of graphene nanoplatelets bonded to a thin plastic sheet for reinforcement. The thermal conductivity of graphene is more than twice that of copper, making it a suitable material for this application. Such graphene nanoplatelet sheets are preferably 5 to 500 micrometers in thickness, optionally with higher strength and resistance to pressure and deformation constantly applied by a person seating in and out of the seat. May be bonded to a thin plastic sheet of polyethylene or some other suitable substrate so that
炭素系材料を使用することにより、熱伝導性材料の表面領域全体に、直接に熱を伝達し、分布させることができ、ダクトによって空気を分配する必要を軽減させ、個人毎の温度調節を提供しつつ座部構造の単純化とデザインの標準化をさらに進めることができ、デザインの柔軟性が増す。つまり、本発明は、熱と冷熱を分布させるために、強制空気ではなく伝熱パッドを用いる。従来の加温冷却機能付き座部では、かなり重量のある人の場合、空気ダクトが破壊される可能性があったが、体重の軽い乗車者が座部に座っているか重い人であるかによる差が小さくなるので、規格の統一化が可能となる。 By using a carbon-based material, heat can be transferred and distributed directly over the surface area of the thermally conductive material, reducing the need to distribute air through ducts and providing personalized temperature control. At the same time, simplification of the seat structure and standardization of the design can be further promoted, which increases the flexibility of the design. That is, the present invention uses a heat transfer pad rather than forced air to distribute heat and cold. In the conventional seat with heating and cooling function, the air duct could be destroyed in the case of a person who is quite heavy, but it depends on whether a lighter passenger is sitting in the seat or heavier. Since the difference is small, it is possible to standardize the standards.
これに関して、適するグラフェン・ナノプレートレット材料は、ミシガン州ランシングのＸＧ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社や他の国際的販売業者といった多くの提供源から商業的に入手可能である。比較的新しい部類のカーボン・ナノ粒子であるグラフェン・ナノプレートレットは、多機能的な性質を呈するため、本願に適している。グラフェン・ナノプレートレットは、非常に薄い一方で広いアスペクト比を有する、「プレートレット」形態を有している。この独特のサイズ、形および形態は、グラフェン・ナノプレートレットを、バリア性の付与に対して特に有効にする傾向があるとともに、その純黒鉛組成は、グラフェン・ナノプレートレットに、良好な電気的および熱的伝導性を付与している。グラフェン・ナノプレートレットは、また、剛性、高い強度および表面硬度を示す。そのような材料は、所望の効果を得るために、単層または任意の層数の多層で使用することができる。自動車の座部に対しては、４００〜５００＋Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するため、単一シートの使用が好ましい。多くのグレードのグラフェン材料が、商業的に入手可能なナノプレートレット、ナノ粒子、ナノチューブまたはそれらの組み合わせで作られており、熱を分散できる一般的な表面領域は、５から７５０ｍ２／ｇで、平均粒径は、５ミクロンから１００ミクロン超の範囲であってもよい。これらシート状のグラフェン・ナノプレートレットまたはグラフェン・ナノチューブ材料は、上述の熱電デバイスと機械的および熱的に直接接触するように配置されると、熱の分散のために特に有用である。 In this regard, suitable graphene nanoplatelet materials are commercially available from many sources, such as XG Sciences, Inc. of Lansing, MI and other international distributors. Graphene nanoplatelets, which are a relatively new class of carbon nanoparticles, exhibit multifunctional properties and are suitable for the present application. Graphene nanoplatelets have a "platelet" morphology, which is very thin while having a wide aspect ratio. This unique size, shape and morphology tend to make graphene nanoplatelets particularly effective for imparting barrier properties, while their pure graphite composition makes graphene nanoplatelets good electrical conductivity. And imparts thermal conductivity. Graphene nanoplatelets also exhibit rigidity, high strength and surface hardness. Such materials can be used in a single layer or multiple layers of any number of layers to achieve the desired effect. For a vehicle seat, the use of a single sheet is preferred as it has a thermal conductivity of 400-500+W/mK. Many grades of graphene materials are made of commercially available nanoplatelets, nanoparticles, nanotubes or combinations thereof, with a typical surface area capable of dissipating heat from 5 to 750 m 2 /g , The average particle size may range from 5 microns to over 100 microns. These sheet-like graphene nanoplatelets or graphene nanotube materials are particularly useful for heat dissipation when placed in direct mechanical and thermal contact with the thermoelectric devices described above.
本発明のさらなる態様は、熱伝導性プラスチック・シート状材料の熱伝導率を向上させるために間欠的に配置された、カーボンまたはグラフェン・ナノ粒子、グラフェン・ナノチューブ、またはグラフェン・ナノプレートレット等の高熱伝導性の構成要素片を含む、熱伝導性プラスチック・シート状材料の使用を含むことができる。 A further aspect of the present invention is the use of carbon or graphene nanoparticles, graphene nanotubes, or graphene nanoplatelets, etc., arranged intermittently to improve the thermal conductivity of the thermally conductive plastic sheet material. It may include the use of thermally conductive plastic sheet material, including high thermal conductivity component pieces.
II．熱電モジュール、熱伝導性材料および有孔上部材料の組み合わせ
ａ．有孔材料
上述した、基本となる、熱電モジュールと熱伝導性の組み合わせに加えて、本発明の他のオプション態様は、その組み合わせに追加する、さらなる構成要素を含んでもよい。本発明の、この第２の態様においては、基本となる熱電および熱伝導性の組み合わせは、さらに、座部において人と接触することになる有孔材料の使用を含む。有孔材料は、有孔の革、または、座部の着座者に空気の流れを与え、凝縮による結露の発生を防ぐための、他のいかなる適する有孔の座部材料を含んでもよい。適する有孔材料は、空気の流れを許し、これにより、シートの加温が向上し、また、湿分移動が向上する。
II. Combination of thermoelectric module, thermally conductive material and perforated top material
a. Perforated Materials In addition to the basic thermoelectric module and thermal conductivity combination described above, other optional aspects of the invention may include additional components in addition to the combination. In this second aspect of the invention, the underlying thermoelectric and thermal conductive combination further comprises the use of a perforated material that will come into contact with a person at the seat. The perforated material may include perforated leather or any other suitable perforated seat material to provide air flow to the seat occupant and prevent condensation from forming condensation. Suitable perforated materials allow the flow of air, which improves the warming of the sheet and also the moisture transfer.
III．熱電モジュール、熱伝導性材料および相変化材料の組み合わせ
基本となる熱電および熱伝導性の組み合わせとともに使用することのできる、さらに別の構成要素として、相転移中に熱を蓄積または放出することのできる相変化材料を含んでもよい。これにより、本願に、容量を追加することができる。本発明の本態様に関係することが好ましい材料には、炭酸水素カリウム水和物、または、用途にとって望ましい相変化温度に適用可能な他の相変化材料が含まれる。相変化材料は、大量のエネルギを蓄積および放出することのできる高い融解熱を有することに注意して頂きたい。この場合、材料が固体から液体へ変化するときに熱が吸収または放出されるか、またはその逆が起こり、これが、相変化材料を、潜熱蓄積材料としている。例えば、酢酸ナトリウムの加温パッドは、結晶化するときに温かくなる。
III. Combination of thermoelectric module, thermally conductive material and phase change material Can be used with the underlying thermoelectric and thermally conductive combination, yet another component, capable of storing or releasing heat during the phase transition A phase change material may be included. Thereby, the capacity can be added to the present application. Materials preferably related to this aspect of the invention include potassium hydrogen carbonate hydrate, or other phase change materials applicable to the phase change temperature desired for the application. It should be noted that phase change materials have a high heat of fusion that can store and release large amounts of energy. In this case, heat is absorbed or released as the material changes from solid to liquid, or vice versa, which makes the phase change material the latent heat storage material. For example, a sodium acetate heating pad becomes warm as it crystallizes.
パラフィンおよび脂肪酸のようなある種の有機相変化材料は、リサイクル可能で非常に多くの従来の構成材料との相性がよいのに加えて、融解熱が非常に高く、安全で、非反応性である。これらの材料は、従来、可燃性であるが、ある種の閉じ込めプロセスにより、様々な用途での使用が可能となる。 Certain organic phase change materials such as paraffins and fatty acids, in addition to being recyclable and compatible with so many conventional constituent materials, have a very high heat of fusion, which is safe and non-reactive. is there. Although these materials are traditionally flammable, certain containment processes allow their use in a variety of applications.
高い融解熱を有しながら不燃性であるため、この用途においては、無機塩水和物が好ましい。上述のように、好ましい相変化材料は炭酸水素カリウム水和物である。もちろん、この用途には他の相変化材料を採用することもでき、含まれる水分が凝縮するときに熱を吸収できたり、水分が蒸発するときに水を放出できたりする、共晶性または含水性材料を含んでもよい。限定はされないが、適する相変化材料には、炭酸水素カリウム水和物、酢酸ナトリウム、パラフィン、脂肪酸、無機塩水和物、共晶性材料、含水性材料、吸湿性材料、およびそれらの組み合わせが含まれる。これは、なんらかの露点状態が起こった場合の座部内の湿分含有量の制御の観点からは、有益な場合も、有益でない場合もある。 Inorganic salt hydrates are preferred in this application because they have a high heat of fusion and are nonflammable. As mentioned above, the preferred phase change material is potassium hydrogen carbonate hydrate. Of course, other phase change materials can also be employed for this application, such as being able to absorb heat when the water contained condenses, or release water when the water evaporates, a eutectic or water-containing material. It may also include a conductive material. Suitable phase change materials include, but are not limited to, potassium hydrogen carbonate hydrate, sodium acetate, paraffins, fatty acids, inorganic salt hydrates, eutectic materials, hydrous materials, hygroscopic materials, and combinations thereof. Be done. This may or may not be beneficial in terms of controlling the moisture content in the seat in the event of some dew point condition.
本発明の様々な態様において、熱電モジュール、熱伝導性材料、有孔の座部、および／または座部内の相変化材料パッド、またはこれらのいずれかの組み合わせ、というこの組み合わせは、従来の空気室型の加温冷却座部よりも効率的なシステムを提供するために使用可能な座部を、作ることができる。 In various aspects of the present invention, this combination of a thermoelectric module, a thermally conductive material, a perforated seat, and/or a phase change material pad within the seat, or any combination thereof, is used in conventional air chambers. A seat can be made that can be used to provide a more efficient system than the heated and cooled seat of the mold.
本発明において特に興味深いのは、いくらかの態様においては、分割された空気室構造を備えて製造され、座部の下でかなり大きな場所をとる従来のシステムとは異なり、基本的に空気の動きが不要なことである。パッケージングおよび製造の観点からも、本発明の熱電モジュールと熱伝導性材料は、パッケージング、輸送、製造時の座部への設置が、ずっと簡単である。製造、設置を必要とする空気室の構成部材が殆ど全くない。 Of particular interest in the present invention, in some embodiments, unlike conventional systems that are manufactured with a split air chamber structure and occupy a significant amount of space under the seat, essentially no air movement is observed. It is unnecessary. From a packaging and manufacturing standpoint, the thermoelectric module and thermally conductive material of the present invention are much easier to install in the seat during packaging, shipping and manufacturing. There are almost no air chamber components that need to be manufactured and installed.
さらに、肥満の人が座部に座るときは、子供が座部に座るときと比べて空気室が圧縮されるので、座部に座る人の体重の多様さが、従来技術の座部の加温装置および冷却装置の設計の妨げとなっている。肥満の人の場合、もはや空気を分配できないところまで、空気室を圧縮してしまうであろうことが想像できる。本発明が空気の動きに依存しないという事実は、座部設計者、さらに、座部の加温装置および冷却装置の動作に対して、非常に大きな自由度を与える。 Furthermore, when an obese person sits down on the seat, the air chamber is compressed compared to when a child sits down on the seat, which makes the weight of the person sitting on the seat different from that of the conventional seat. It is an obstacle to the design of heating and cooling devices. It can be imagined that an obese person would compress the air chamber to the point where it could no longer distribute air. The fact that the present invention does not depend on the movement of air gives a great deal of freedom to the operation of the seat designer as well as the seat heating and cooling devices.
本発明の構成は、加温冷却中の座部に関係する結露の殆どを軽減することができるので、結露の保持や蒸発に対処する必要すらない。空気の流れを許す孔がない場合のように空気の流れが存在しない場合、湿分は、冷やされると凝縮する。本発明（温度差が２℃であっても、特に孔を有するもの）、を使用すれば、結露の問題は軽減される。 Since the configuration of the present invention can reduce most of the dew condensation related to the seat portion during heating and cooling, it is not necessary to deal with the retention or evaporation of the dew condensation. In the absence of air flow, such as when there are no holes to allow air flow, moisture condenses when cooled. By using the present invention (especially those having holes even if the temperature difference is 2° C.), the problem of dew condensation is alleviated.
IV．熱電モジュール、熱伝導性材料、並びに、相変化材料および有孔材料の組み合わせ
さらに本発明に含まれるのは、熱伝導性材料を含む本発明の第１の態様と組み合わせて使用される、有孔の上層材料と、相転移の間に熱を蓄積または放出するための相変化材料とを含む、これら全ての態様のオプションとしての使用である。そのような相変化材料は、高い融解熱を有し、一定の温度で融解および固化し、大量のエネルギを蓄積および放出できる、いかなる物質でもよい。例えば、酢酸ナトリウム加温パッドを思い出してみれば、これは、酢酸ナトリウム溶液が結晶化するときに温かくなることで実現される。このような相変化材料の潜熱蓄積能力は、固体−固体、固体−液体、固体−気体、および液体−気体相変化によって得ることができる。本願に使用するための好ましい相変化は、熱の蓄積に必要とされる体積の小ささによって熱蓄用に最も実用的であることから、固体−液体変化である。従来の相変化材料は、パラフィンおよび／または脂肪酸のような有機材料であるが、塩水和物のような無機相変化材料でも、共晶性材料（有機−有機、有機−無機、無機−無機のいずれの化合物でよい）でもよく、また、水を吸収、放出する性質のために有利である吸湿材料でもよい。
IV. Thermoelectric Module, Thermally Conductive Material, and Combination of Phase Change Material and Perforated Material Further included in the present invention is a perforated material for use in combination with the first aspect of the present invention that includes a thermally conductive material. Optional use of all these aspects, including a top layer material and a phase change material to store or release heat during the phase transition. Such a phase change material can be any substance that has a high heat of fusion, can melt and solidify at a constant temperature, and can store and release large amounts of energy. For example, recalling a sodium acetate heating pad, this is accomplished by the warming of the sodium acetate solution as it crystallizes. The latent heat storage capacity of such phase change materials can be obtained by solid-solid, solid-liquid, solid-gas, and liquid-gas phase changes. The preferred phase change for use herein is a solid-liquid change, as it is most practical for heat storage due to the small volume required for heat storage. Conventional phase change materials are organic materials such as paraffins and/or fatty acids, but even inorganic phase change materials such as salt hydrates, eutectic materials (organic-organic, organic-inorganic, inorganic-inorganic). It may be any compound), or it may be a hygroscopic material which is advantageous due to its properties of absorbing and releasing water.
上述の通り、本態様においては、本発明でオプションとして使用可能な相変化材料は、炭酸水素カリウム水和物、または、自動車または他の座部アセンブリへの適用に望ましい相変化温度に適用できる、他の相変化材料であることが好ましい。 As mentioned above, in this aspect, the optional phase change material of the present invention can be applied to potassium bicarbonate hydrate, or the desired phase change temperature for automotive or other seat assembly applications. Other phase change materials are preferred.
さらに、上述の態様全てに関して、熱伝達を最適化するために、オプションとして、更に別の構成要素が、役立ち得る。この構成要素は、使用による効果が非常に大きい可能性のある、熱伝導性界面を含む。このような熱伝導性界面は、熱グリース、銀充填ゲル、充填ワックスまたはシリコンでもよい。この界面は、構成要素間の熱的接触を完全にするのに役立ち、それらの間の熱伝達効率を上昇させる。 Further, for all of the above aspects, additional components may optionally serve to optimize heat transfer. This component contains a thermally conductive interface, which can be very effective with use. Such a thermally conductive interface may be thermal grease, silver filled gel, filled wax or silicone. This interface helps to perfect the thermal contact between the components, increasing the heat transfer efficiency between them.
上記した各態様の製造方法は、添付の図面に示された各構成要素を組み立てることと、熱電モジュールと熱伝導性材料との間、または熱電熱伝導性材料と相変化材料との間に、熱伝導性界面のコーティングを塗布することとを含む。 The manufacturing method of each of the above aspects, by assembling each component shown in the accompanying drawings, between the thermoelectric module and the heat conductive material, or between the thermoelectric heat conductive material and the phase change material, Applying a thermally conductive interface coating.
これらのメリットには、限定はされないが、ファンに使用される全てのエネルギを、ヒートシンクを介した大気の熱の伝達に使用することができ、これによって全体的性能の向上が見込まれるという事実が含まれる。自然放熱ヒートシンクは、必要とされる形状因子に合わせて、空気流の一部を座部着座者の冷却／加温のためにも使用するよりは、その目的のために最適化されることができる。これにより、熱電モジュールの設計の自由度が増し、座部のパッケージングも改善できる。様々なサイズの熱伝達材料と熱電デバイスを使用することによって、様々な形状およびサイズの加温冷却領域を、容易に作り出すことができる。これはまた、体重の異なる着座者のための設計を削減できることを意味する。熱フィードバック・ループによって、被加温冷却表面に直接に熱的に結合された着座者に対して、より良い温度制御を提供できるからである。 These benefits include, but are not limited to, the fact that all the energy used by the fan can be used to transfer atmospheric heat through the heat sink, which is expected to improve overall performance. included. Natural heat sinks may be optimized for that purpose rather than using a portion of the airflow also for cooling/warming the seat occupant, depending on the required form factor. it can. As a result, the degree of freedom in designing the thermoelectric module is increased, and the packaging of the seat portion can be improved. By using different sizes of heat transfer materials and thermoelectric devices, different shapes and sizes of heated and cooled areas can be easily created. This also means that designs for seated people of different weights can be eliminated. This is because the thermal feedback loop can provide better temperature control for the occupant who is directly thermally coupled to the heated cooling surface.
以下、図面を参照して説明する。図１を参照すると、大きな括りとして符号１０が付された座部加温冷却装置は、ゴムパッド１２を含み、ゴムパッド１２の直下と周囲には熱伝導性材料伝熱パッド１４を備え、熱伝導性材料伝熱パッド１４は、その下に配置された伝熱ブロックと熱的に接続し、座部加温冷却装置は、また、伝熱ブロックの下に配置されて伝熱ブロックと熱的に接続された熱電デバイスを含み、熱電デバイスは、ヒートシンクと熱的に接続し、ヒートシンクの下にはファンが備えられている。伝熱パッド１４は、グラフェン・ナノプレートレット、グラフェン・ナノチューブ等、上記した熱伝導性材料のいずれで作られてもよい。 Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, a seat heating/cooling device generally designated by a numeral 10 includes a rubber pad 12, and a heat conductive material heat transfer pad 14 is provided immediately below and around the rubber pad 12 to provide a heat conductive material. The material heat transfer pad 14 is thermally connected to the heat transfer block disposed thereunder, and the seat heating/cooling device is also disposed below the heat transfer block to be thermally connected to the heat transfer block. The thermoelectric device is in thermal communication with the heat sink, and a fan is provided below the heat sink. The heat transfer pad 14 may be made of any of the heat conductive materials described above, such as graphene/nanoplatelet, graphene/nanotube, and the like.
図２は、自動車座部アセンブリ内の環境における図１の座部加温冷却装置を示し、さらに、大きな括りとして符号２０が付された座部アセンブリと、座部アセンブリ２０の座部および背もたれに配置された座部加温冷却装置２４とを図示している。熱電デバイス２２が座部の切取り部分に示され、一方、熱電デバイス２４が、座部２０の背もたれ上の伝熱パッド２６内に示されている。 2 illustrates the seat warming and cooling device of FIG. 1 in an environment within a vehicle seat assembly, and further includes a seat assembly labeled 20 as a large bundle and the seat assembly and backrest of the seat assembly 20. The seat heating and cooling device 24 arranged is illustrated. Thermoelectric device 22 is shown in the cutaway portion of the seat, while thermoelectric device 24 is shown in heat transfer pad 26 on the back of seat 20.
図３は、熱電デバイスを、伝熱パッドおよび座部加温冷却装置の全体に含まれる種々の構成要素と組み合わせて、詳細に示している。上側伝熱ブロック３０は、伝熱パッド基板３３の上に配置され、伝熱パッド基板３３は、下側伝熱ブロック４０と熱的に接続されるように配置されている。座部発泡体３２は、乗車者の支持として作用し、上側伝熱ブロック３０の位置を保持する。熱電モジュール３６は、ヒートシンク３８と熱的に接続し、ヒートシンク３８は、ファン３５から空気流３４への空気流を受け取り、空気流は、ヒートシンク３８によって加温または冷却される。動作中、ファン３５は、空気を上昇させてヒートシンク３８と接触させるために、下からの空気流３４を作り出し、ヒートシンク３８は、熱電デバイス３６と接触し、さらに、下側伝熱ブロック４０へとつながっている。熱伝導性材料製の基板３３は、熱または冷熱を、その表面上に分散させるのを補助し、また、熱界面３０によって補助される。好ましくは、オプションの熱界面、適した界面材料の名前をいくらか挙げると、熱グリース、銀充填ゲル、充填ワックス、シリコンまたはパッド等。空隙のない接触を提供して伝熱を最大に高めるために、試作品で使用して成功した、ニュージャージー州プリンストン・ジャンクションのＡＩ Ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ社のＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒを、伝熱ブロックと熱伝導性材料の間に使用してもよい。 FIG. 3 shows the thermoelectric device in detail in combination with the heat transfer pad and various components contained throughout the seat heating and cooling system. The upper heat transfer block 30 is arranged on the heat transfer pad substrate 33, and the heat transfer pad substrate 33 is arranged so as to be thermally connected to the lower heat transfer block 40. The seat foam 32 acts as a support for the occupant and holds the position of the upper heat transfer block 30. The thermoelectric module 36 is thermally connected to a heat sink 38, which receives the air flow from the fan 35 to the air flow 34, which is heated or cooled by the heat sink 38. During operation, the fan 35 creates an air stream 34 from below to raise air into contact with the heat sink 38, which contacts the thermoelectric device 36 and further to the lower heat transfer block 40. linked. The substrate 33, made of a thermally conductive material, helps disperse heat or cold on its surface, and is assisted by the thermal interface 30. Preferably, an optional thermal interface, thermal grease, a silver filled gel, a filled wax, silicone or a pad, to name a few of the suitable interface materials. The AI Technology Arctic Silver of Princeton Junction, NJ, successfully used in prototypes to provide void-free contact and maximize heat transfer between the heat transfer block and the thermally conductive material. May be used for.
次に、図４を参照すると、図３の態様のもう一つの図が、座部発泡体３２の更に別のクッショニング態様とともに、示されている。座部発泡体３２は、熱電モジュール５２の上に据えられた伝熱ブロック６２と熱的に接続された熱伝導性材料層６０によって、上部を覆われ、画定されている。座部発泡体３２は、空気室出口ダクト５８を取り囲んでいる。ヒートシンク５４は、熱電モジュール５２の直下に示され、熱電モジュール５２と熱的に接続されている。箱形状で示されたファン５６は、熱交換のためにヒートシンク領域５４に空気を上昇させ、空気室出口ダクト５８を通して全ての空気を排出させる。座部発泡体３２は、空気室５８と熱伝導性材料６０の間に位置する。これら全ては、好ましくは上記で詳述したグラフェン・ナノプレートレット材料等の高分散性の炭素系材料で作られた、熱伝導性材料６０を加温または冷却するためのものである。 Referring now to FIG. 4, another view of the embodiment of FIG. 3 is shown, along with further cushioning aspects of seat foam 32. The seat foam 32 is top-covered and defined by a layer of thermally conductive material 60 that is thermally connected to a heat transfer block 62 mounted on the thermoelectric module 52. The seat foam 32 surrounds the air chamber outlet duct 58. The heat sink 54 is shown immediately below the thermoelectric module 52 and is thermally connected to the thermoelectric module 52. A fan 56, shown in the shape of a box, raises air to the heat sink area 54 for heat exchange and expels all air through the air chamber outlet duct 58. The seat foam 32 is located between the air chamber 58 and the thermally conductive material 60. All of these are for heating or cooling the thermally conductive material 60, preferably made of a highly disperse carbon-based material such as the graphene nanoplatelet material detailed above.
図５は、ファン、空気室、および、熱電モジュール、熱伝導性材料、有孔座部カバーおよび上述の相変化材料の組み合わせを用いた、本発明の更に別の態様を示している。大きな括りとして符号７０を付された座部加温冷却装置は、孔７４を有する可撓性熱伝導性材料７２を含む。孔は、空気の流れを可能とし、湿気のこもりを最小化するのを助け、これにより、露点が非常に低い場合でも、じめじめ感を軽減できる。可撓性熱伝導性材料７２の下には、熱および冷熱を蓄えるために、相変化材料７６が使用されている。相変化材料７６は熱伝導性材料７２と接触し、熱伝導性材料７２は熱界面７８と熱的に接続し、熱界面７８は伝熱ブロック８０と直接熱的に接続し、伝熱ブロック８０は、その下の熱電モジュール８２と熱的に接続している。他の態様同様、熱電モジュール８２は、ファン８６を通って来る空気によって加温冷却されるヒートシンク８４と熱的に接続されるように配置される。ファン８６は、空気通路８８を通して空気を移動させ、第一に座部表面に結露が形成される機会を減少させるため、移動空気を着座者と接触さる。また、空気が、孔を通って主要伝熱機構から着座者へ、熱伝導性材料を介し、更に着座者と直接接触している座部カバー材（革製その他）を介して移動するとき、いくらかの熱を相変化材料および熱伝導性材料パッドと交換させる。ファン８６は、ヒートシンク８４に空気を分布させ、熱電デバイス内の直流電流の方向と、着座者を加温すべきか冷却すべきかに応じて、ヒートシンク８４に入るかまたはヒートシンク８４から出る熱を伝達させる。空気は、その後、出口ダクトとして働く空気流室９０を通じて、大気環境中に排出される。 FIG. 5 illustrates yet another aspect of the present invention using a combination of a fan, an air chamber, and a thermoelectric module, a thermally conductive material, a perforated seat cover and the phase change material described above. The seat warming and cooling device, generally designated 70, includes a flexible thermally conductive material 72 having holes 74. The holes allow air flow and help minimize dampness, thereby reducing dampness even when the dew point is very low. Below the flexible thermally conductive material 72, a phase change material 76 is used to store heat and cold. The phase change material 76 is in contact with the thermally conductive material 72, the thermally conductive material 72 is in thermal contact with the thermal interface 78, and the thermal interface 78 is in direct thermal contact with the heat transfer block 80, and the heat transfer block 80. Are thermally connected to the thermoelectric module 82 below. Similar to the other aspects, the thermoelectric module 82 is arranged to be thermally connected to a heat sink 84 which is heated and cooled by air passing through a fan 86. The fan 86 moves the air through the air passages 88 and first contacts the moving air with the occupant to reduce the chance of condensation forming on the seat surface. Also, when air travels through the holes from the primary heat transfer mechanism to the occupant, through the thermally conductive material, and through the seat cover material (leather or otherwise) that is in direct contact with the occupant, Some heat is exchanged with the phase change material and the thermally conductive material pad. The fan 86 distributes air to the heat sink 84 to transfer heat to and from the heat sink 84, depending on the direction of direct current in the thermoelectric device and whether the occupant should be heated or cooled. .. The air is then discharged into the atmospheric environment through the air flow chamber 90, which acts as an outlet duct.
相変化材料は相転移の間に熱を蓄積または放出する。現在、本発明に関係する材料には、炭酸水素カリウム水和物が含まれる。所望の相変化温度に対して、他の適する相変化材料を適用してもよい。相変化材料は、本発明の所定の態様でのみ使用される。相変化材料は、例えば、買い物のために１時間停車して戻ってきた時、熱くなった車に予め冷却された座部が欲しい場合などに、着座者に対して短時間の冷却または加温を提供する。その動作は、薄い材料遮蔽層を熱伝導性材料との間に配置し、熱電デバイスによって提供される加温または冷却の殆どを、革製または布製の座部カバーと着座者に作用できるようにする一方、相変化材料を加温または冷却する一定レベルの熱漏洩を許すようにすることで、設計できる。買い物や受診等のために車が停車状態にあるとき、薄い遮蔽層が高レベルの熱伝達を遅らせるので、相変化材料は、熱を、ゆっくりと、放出または吸収することができる。この層がどのように設計されるか、または、そもそも層を設けるか否かは、所望の熱要件に依存する。 Phase change materials store or release heat during the phase transition. Presently, materials relevant to the present invention include potassium hydrogen carbonate hydrate. Other suitable phase change materials may be applied for the desired phase change temperature. Phase change materials are used only in certain aspects of the invention. Phase change materials can be used to cool or warm a seated person for a short period of time, for example, if you want to return to a hot car for one hour when you park for one hour and come back. I will provide a. The action is to place a thin material shielding layer between the thermally conductive material so that most of the heating or cooling provided by the thermoelectric device can act on the leather or fabric seat cover and the occupant. On the other hand, it is possible to design by allowing a certain level of heat leakage to heat or cool the phase change material. The phase change material can slowly release or absorb heat because the thin shielding layer delays high levels of heat transfer when the vehicle is parked, such as for shopping or visits. How this layer is designed or whether it is provided in the first place depends on the desired thermal requirements.
図６は、座部の乗車者に対して熱と冷熱を分布させるために、熱電モジュールおよび熱伝導性材料パッドとともに有孔座部を用いた、本発明の更に別の態様である。大きな括りとして符号１００を付された本態様は、ファン１０４に流入する空気流１０２を含む。ファン１０４は、ヒートシンク１０６を介して空気を分配し、熱電モジュール内の直流電流の方向と、着座者を加温すべきか冷却すべきかに応じて、ヒートシンク１０６に入るかまたはヒートシンク１０６から出る熱を伝達させる。空気は、その後、空気通路１２０を通じて、大気環境中に排出される。熱界面１１２は伝熱ブロック１１４および熱電モジュール１１６と接続されている。また、ファン１０４は、空気を、空気通路１２４を通して、更に有孔材１１０を通して、上方に移動させ、座部アセンブリ１００の上にいる乗車者に空気の流れを与える。座部発泡体１０８は、空気を循環させるための空気室１２０を取り囲んでいる。 FIG. 6 is yet another aspect of the invention in which a perforated seat is used with a thermoelectric module and a pad of thermally conductive material to distribute heat and cold to a passenger in the seat. This aspect, generally labeled 100, includes an airflow 102 entering a fan 104. The fan 104 distributes air through the heat sink 106 and directs heat into and out of the heat sink 106, depending on the direction of direct current in the thermoelectric module and whether the occupant should be heated or cooled. Make it communicate. The air is then discharged through the air passage 120 into the atmospheric environment. The thermal interface 112 is connected to the heat transfer block 114 and the thermoelectric module 116. The fan 104 also causes air to move upwardly through the air passages 124 and then through the perforated member 110 to provide a flow of air to occupants above the seat assembly 100. The seat foam 108 surrounds an air chamber 120 for circulating air.
図７は、大きな括りとして符号１３０を付された本発明の別の態様を示す。本態様においては、空気流１３２がファン１３４に入り、ファン１３４が、空気分配室１３６を通して空気を分配する。この低アスペクト比の空気移動構造１３０は、また、伝熱ブロック１４４と熱的に接続された熱電モジュール１４２を含む。空気が空気分配室１３６を通って移動するとき、空気は、ここを通って座部１３８に向けられ、一方、ヒートシンクからの排気は、通路１４０を通って排出される。 FIG. 7 illustrates another aspect of the present invention labeled 130 as a large grouping. In this aspect, airflow 132 enters fan 134, which distributes air through air distribution chamber 136. The low aspect ratio air movement structure 130 also includes a thermoelectric module 142 that is thermally connected to the heat transfer block 144. As air travels through the air distribution chamber 136, it is directed there through to the seat 138, while exhaust air from the heat sink is exhausted through the passage 140.
次に、図８を見ると、大きな括りとして符号１５０を付された、２層の炭素系熱伝導性材料パッドが示されている。２層の炭素系熱伝導性材料パッド１５０は、熱伝導性基材１５４の下側と熱的に接続された熱伝導性プレート１５２を含む。熱伝導性材料１５４の底層内のスリット１５８は、上部熱伝導性リング１５６によって、スリットによって作られた様々なパネルの各々と熱的な接続を保ち、熱伝導性基材内の分割によって生じる分断が互いに熱的な接続を保っている。熱伝導パッドを製造するための熱伝導性材料のこの構成によれば、日常的に座部内で下向きの大きな撓みがかかるような用途のために、非常な可撓性と堅牢性を可能とする一方で、全体的に高い熱性能を保つことができる。例えば、骨ばった膝の着座者が座部上に膝をつき、大きな下向きの力をかけた場合でも、着座者の膝によって熱伝導性材料に何の問題も生じることはない。 Turning now to FIG. 8, a two-layer carbon-based thermally conductive material pad is shown generally labeled 150. The two-layer carbon-based thermally conductive material pad 150 includes a thermally conductive plate 152 that is thermally connected to an underside of the thermally conductive substrate 154. The slits 158 in the bottom layer of thermally conductive material 154 maintain thermal connection with each of the various panels made by the slits by the upper thermally conductive ring 156, and the disruption caused by the division in the thermally conductive substrate. Maintain thermal connection to each other. This configuration of thermally conductive material for making the thermally conductive pad allows for great flexibility and robustness for applications where large downward deflections are routinely made in the seat. On the other hand, overall high thermal performance can be maintained. For example, if a occupant with a bony knee rests on the seat and applies a large downward force, the knee of the occupant does not cause any problems with the thermally conductive material.
図９は、本発明の更に別の態様の、大きな括りとして符号１６０を付された、長い熱寿命を有する座部加温冷却装置の断面図であり、相変化材料１６３の加温および／または冷却態様の寿命を延長するために、相変化材料１６３と組み合わせて、基本構成要素である熱伝導性材料１６２と熱的に接続した熱電モジュール１６８を含んでいる。熱的接続のためのよりよい結合を作りだすために、熱グリースまたは上記した他の何らかの適する界面材料等のような熱界面１６４の層をオプションとして使用することが好ましい。熱または冷熱をより広い領域に分布させるために、伝熱ブロック１６６を、上記態様と同様に使用してもよい。熱電モジュール１６８は、上記と同様の熱電モジュールであることが好ましく、伝熱ブロック１６６によって分散される熱または冷熱の源となる。図９に示されるように、ヒートシンク１７０は、それがファン１７６から通り過ぎるときに、適当な熱または冷熱を収集する。ヒートシンク１７０内の熱または冷熱収集フィンが図示されていないのは、この角度が、最後のフィンの側を示しているからである。出口ダクト１７４は、座部加温冷却アセンブリ１６０を通って移動する空気の出口として使用される。座部発泡体１７２は、出口ダクト１７４、ファン１７６およびヒートシンク１７０を取り囲んでいる。ファン１７６は、側面図で示され、このため、ヒートシンク１７０の下のファンとして示されており、出口ダクト１７４を通る空気の流れを促す。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a seat heating and cooling apparatus having a long thermal life, generally designated 160, according to yet another aspect of the present invention, for heating and/or warming phase change material 163. To extend the life of the cooling regime, it includes a thermoelectric module 168 in thermal communication with the base component, thermally conductive material 162, in combination with the phase change material 163. It is preferable to optionally use a layer of thermal interface 164, such as thermal grease or some other suitable interface material described above, to create a better bond for the thermal connection. The heat transfer block 166 may be used in the same manner as in the above embodiment to distribute heat or cold to a wider area. The thermoelectric module 168 is preferably a thermoelectric module similar to that described above, and serves as a source of heat or cold heat dispersed by the heat transfer block 166. As shown in FIG. 9, heat sink 170 collects the appropriate heat or cold as it passes from fan 176. The heat or cold collecting fins in the heat sink 170 are not shown because this angle indicates the side of the last fin. The outlet duct 174 is used as an outlet for air traveling through the seat heating and cooling assembly 160. Seat foam 172 surrounds outlet duct 174, fan 176 and heat sink 170. The fan 176 is shown in side view and is therefore shown as a fan under the heat sink 170 to facilitate air flow through the outlet duct 174.
もう一度図９を参照すると、図９に示す、相変化材料の組み込まれた座部加温冷却アセンブリには、空気流を伴う有孔の座部構造を含んだ上記態様のような、着座者への直接的な空気の流れが全くないことに気づくだろう。相変化材料は、熱を放出する発熱反応またはエネルギを吸収して冷却する吸熱反応のいずれかの化学反応を利用するので、相変化材料は、電力の必要なしに、加温冷却される装置の寿命を延長することができる。作動時に、相変化材料（本態様では好ましくは炭酸水素カリウム）は、必要に応じて温度上昇または温度低下し、長時間にわたってその温度を保持する。相変化材料は、完全に可逆で、ヒステリシスが全くないので、多くの回数にわたって使用、再使用することができ、望ましい効果を奏することができる。さらに、相変化材料は熱電デバイスと組み合わせて使用することができ、熱伝導性材料の使用によって、相変化材料の効果を、より広い領域に分布させることができる。 Referring again to FIG. 9, the seat warming and cooling assembly incorporating the phase change material shown in FIG. 9 includes a perforated seat structure with air flow to seated persons, such as the embodiments described above. You will notice that there is no direct air flow in. Because the phase change material utilizes a chemical reaction, either an exothermic reaction that releases heat or an endothermic reaction that absorbs and cools energy, the phase change material can be heated or cooled in a device that is heated and cooled without the need for power. The life can be extended. In operation, the phase change material (preferably potassium hydrogen carbonate in this embodiment) raises or lowers its temperature as needed and maintains that temperature for an extended period of time. Because the phase change material is completely reversible and has no hysteresis, it can be used and reused many times with the desired effect. Further, the phase change material can be used in combination with a thermoelectric device, and the use of the thermally conductive material can distribute the effect of the phase change material over a wider area.
図１０は、例えば、オフィス用椅子または他の自動車用でない用途、または電線を走らせて使用するのが望ましくないような自動車での用途で使用するための、本発明のさらに別の態様を示している。大きな括りとして符号２６０を付された再充電可能システムが開示され、被加温冷却座部２６６を有するオフィス用椅子２６２を含んでいる。オフィス用椅子の底部には、フロアマット２７０内に埋め込まれた磁気共鳴トランスミッタ２６８に近接するように移動させることのできる、磁気共鳴レシーバ２６４がある。作動に当たっては、被加温冷却座部２６６の無線による再充電または電力供給が得られるように、埋め込まれた磁気共鳴トランスミッタ２６８の上に、磁気共鳴レシーバ２６４を置く。磁気共鳴レシーバ２６４が適切な位置にあるとき、フロアマットからの電力は、埋め込まれた磁気共鳴トランスミッタ２６８によって、無線で磁気共鳴レシーバ２６４に送られ、これによって、オフィス用椅子の被加温冷却座部２６６に電力が供給される。 FIG. 10 illustrates yet another aspect of the invention for use, for example, in office chairs or other non-automotive applications, or in automotive applications where running electrical wires is undesirable. There is. A rechargeable system, generally designated 260, is disclosed and includes an office chair 262 having a heated cooling seat 266. At the bottom of the office chair is a magnetic resonance receiver 264 that can be moved closer to a magnetic resonance transmitter 268 embedded in the floor mat 270. In operation, the magnetic resonance receiver 264 is placed over the embedded magnetic resonance transmitter 268 so that wireless recharging or powering of the heated cooling seat 266 can be obtained. When the magnetic resonance receiver 264 is in place, power from the floor mat is wirelessly sent to the magnetic resonance receiver 264 by the embedded magnetic resonance transmitter 268, which causes the heated cooling seat of the office chair. Electric power is supplied to the unit 266.
さらにもう一つの態様において、本発明は、結露問題に対処するために、超疎水性の態様を含むことができる。超疎水性材料は、座部の上部材料の上側表面の上に配置することが想定され、上述の全ての態様において、オプションとして、最上層になり得るものである。その点に関して、また、上述の態様のいくつかに関して、被加温冷却座部表面の冷たい表面の上に、水が凝縮する可能性がある。有孔の座部及び／または空気室またはダクトを通る空気流は、空気を動かし、これによって、凝縮した結露を蒸発させることで、改善の効果を奏する。この空気循環態様は、上述の、熱伝導性材料内の孔を通って移動する空気を伴う態様においても記載した。本態様においては、座部のカバー（革でも布でもよい）に超疎水性表面の使用が組み込まれている。超疎水性表面は、凝縮した水相の合体の際の表面エネルギをエネルギとして、凝縮水を自発的に跳ね返すことにより、座部の表面から水滴を追い出す。この態様は、座部の表面上で、水の凝縮が起こり始めたとき、座部の表面を乾いた状態に保つことができる。このような超疎水性材料は、イリノイ州ヴァーノン・ヒルズのＲｕｓｔ−Ｏｌｅｕｍ社の「Ｎｅｖｅｒ Ｗｅｔ」として、または、ニューメキシコ州アルバカーキのＬｏｔｕｓ Ｌｅａｆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ社の超疎水性材料として、商業的に入手可能である。 In yet another aspect, the invention can include superhydrophobic aspects to address the condensation problem. The superhydrophobic material is envisaged to be placed on the upper surface of the seat top material and, in all of the embodiments described above, can optionally be the top layer. In that regard, and with respect to some of the above-described aspects, water may condense on the cold surfaces of the heated cooling seat surface. The air flow through the perforated seats and/or the air chambers or ducts has the effect of moving the air and thus evaporating the condensed condensation. This air circulation mode has also been described in the above-mentioned mode with air moving through the holes in the thermally conductive material. In this embodiment, the seat cover (which may be leather or cloth) incorporates the use of a superhydrophobic surface. The superhydrophobic surface voluntarily repels the condensed water by using the surface energy at the time of coalescence of the condensed water phases as energy to expel the water droplets from the surface of the seat portion. This aspect can keep the surface of the seat dry when condensation of water begins to occur on the surface of the seat. Such superhydrophobic materials are commercially available as "Never Wet" from Rust-Oleum of Vernon Hills, IL or as superhydrophobic material of Lotus Leaf Coatings of Albuquerque, NM. Is.
さらに、いくらかの態様においては、熱伝導性層が、相変化材料層との間の熱伝達に対する能動的な熱的ゲートとしての役割を果たすことができる。例えば、それ以前の車運転中に相変化材料層が冷却されていて、今、車は、熱い晴天の日に、通常の環境下で駐車されているとすると、相変化材料は、車の座部の外側カバーからの熱伝達によって（カバーが革であっても布であっても）、温まり始めるだろう。この例においては、熱は、外側にある革または布製の車の外側座部カバーから熱伝導性材料層へ移動し、さらに、直接、相変化材料に移動するか、または、代替態様においては、中間の可変遮蔽層を介して、相変化材料層に移動する。この可変遮蔽層は、相変化材料を熱伝導性材料から分離する、遮蔽材料層または部分遮蔽材料層であってよい。このような可変遮蔽材料の遮蔽値の決定は、期待される使用条件に依存する。熱ポンピングによって発生した熱をゆっくりと相変化材料に与えようとする場合には、より多く遮蔽する遮蔽層が選択される。この場合、これは、座部が加温モードにあるか冷却モードにあるかに応じて、相変化材料も、同様にゆっくりした速さで熱を吸収または放出することを意味する。これは、熱電システムの熱ポンピングに対する座部表面温度の熱応答が、殆ど影響を受けないことを意味する。システムの熱ポンピング部による、より速い座部表面温度の熱応答が望ましい場合には、より高い遮蔽層が、適している。つまり、用途によって、相変化材料のより迅速な蓄熱または放熱が必要な場合、より少なく遮蔽する遮蔽層が使用される。 Further, in some aspects, the thermally conductive layer can act as an active thermal gate for heat transfer to and from the phase change material layer. For example, if the phase change material layer was cooled during a previous vehicle operation and the vehicle is now parked under normal conditions on a hot sunny day, the phase change material would Heat transfer from the outer cover of the part (whether the cover is leather or cloth) will start to warm up. In this example, heat is transferred from the outer leather or fabric car outer seat cover to the thermally conductive material layer and further directly to the phase change material, or in an alternative embodiment, Transfer to the phase change material layer through the variable barrier layer in between. The variable shield layer may be a shield material layer or a partial shield material layer that separates the phase change material from the thermally conductive material. The determination of the shielding value of such a variable shielding material depends on the expected service conditions. If it is desired to slowly apply the heat generated by thermal pumping to the phase change material, a shielding layer that shields more is selected. In this case, this means that the phase change material will likewise absorb or release heat at a slower rate, depending on whether the seat is in the warming mode or the cooling mode. This means that the thermal response of the seat surface temperature to the thermal pumping of the thermoelectric system is hardly affected. A higher shielding layer is suitable when a faster thermal response of the seat surface temperature due to the thermal pumping portion of the system is desired. That is, a shield layer that shields less is used when more rapid heat storage or heat dissipation of the phase change material is required for some applications.
一方で、熱伝導性材料層が、車の駐車中に、熱電デバイスによって冷却モードで作動されると、座部のカバーからの熱エネルギが、熱伝導性材料層に伝達され、直近の領域から汲み出されることにより、相変化材料層への熱伝達をブロックし、車が運転されていない間の相変化材料の熱蓄積時間を、さらに延長する。上述の冷却モード同様、寒い気候では、熱電デバイスを使用して熱伝導性材料に熱を汲み入れることにより、加温モードにおいて同種の動作を実施することができ、これにより、熱が相変化材料から逃げるのをブロックできる。相変化材料層への熱伝達を低減するための熱ブロックとしての熱ポンピング作用のレベルは、車製造者の仕様に基づき、乗車者が望む要件に合うように調整すればよい。 On the other hand, when the heat conductive material layer is operated in the cooling mode by the thermoelectric device while the vehicle is parked, the heat energy from the seat cover is transferred to the heat conductive material layer from the immediate area. Being pumped blocks heat transfer to the phase change material layer, further extending the heat buildup time of the phase change material while the vehicle is not in operation. Similar to the cooling mode described above, in cold climates, the same type of operation can be performed in the warming mode by pumping heat into the thermally conductive material using a thermoelectric device, which causes the heat to change phase. You can block it from running away. The level of thermal pumping action as a heat block to reduce heat transfer to the phase change material layer may be adjusted based on the vehicle manufacturer's specifications to meet the passenger's desired requirements.
想像できるように、熱ポンピングのレベルが高いほど、車からのより多くの電気エネルギを必要とする。結果として、長い運送距離には、より多量の電気エネルギが必要とされることになり、車のバッテリの保有電力に負の影響を与える。意図される使用方法を電気エネルギ消費と適切にマッチさせる時間−温度アルゴリズムが、本発明によって、予期される。例えば、予め選択した時間または学習した着座者の使用パターンで通常経験される車室温度を、車のバッテリの条件とともに入力することにより、熱ポンピングと熱ブロッキングの量を容易に最適化できるだろう。さらに、この制御システムは、その最も単純な形態においては、単に、タイマーとしても使用できることが想定される。 As one can imagine, the higher the level of heat pumping, the more electrical energy from the car is needed. As a result, longer haul distances require more electrical energy, which negatively impacts the vehicle battery power reserve. Time-temperature algorithms that properly match the intended use with electrical energy consumption are contemplated by the present invention. For example, the amount of heat pumping and heat blocking could easily be optimized by entering the cabin temperature, which is typically experienced at preselected times or learned occupant usage patterns, along with vehicle battery conditions. .. Furthermore, it is envisioned that the control system, in its simplest form, can simply be used as a timer.
さらに、熱伝導性材料オプションだけを使用して相変化材料層を使用しない座部冷却加温方法、または、熱伝導性材料を空気流とともに使用する方法といった、いくらかの態様の動作中にも、上述の駐停車シナリオにおけるのと同じ熱制御の方法、材料およびコンセプトを使用できる。 Further, during some aspects of operation, such as a seat cooling warming method using only the thermally conductive material option and no phase change material layer, or a method of using the thermally conductive material with airflow, The same thermal control methods, materials and concepts as in the parking and parking scenario described above can be used.
次に、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、図１に示されるような全体的な１枚物の熱伝導性材料のシートではなく、熱伝導性材料のストリップを使用した、本発明のさらに別の態様が示されている。より少ない重量の熱伝導性材料が使用されるほど、より速く熱／冷熱を分散できるようである。これは、座部の乗車者に対する、より速い応答時間を意味する。この構成に対する感覚応答は、個々の座部着座者によって異なるが、観察によれば、より小さい領域が加温冷却されるので、座部の全範囲を覆う全体的シートを使用するときよりも、若干早い速度で温度を変化させることができる。これにより、座部着座者に対する劇的な応答と、より早く感じられる感覚応答が可能となる。しかし、気付かれるように、加温冷却される座部の領域は、より小さくなる。全表面積を加温または冷却するのに対する、正味取付領域は、ストリップの正味取付領域が約２０％から５０％であるのが最適であることがわかった。熱伝導性材料は、熱電デバイスと熱的に接続し、熱と冷熱を座部に分布させる役割を果たす。 Referring now to FIGS. 11A and 11B, a further alternative of the present invention using a strip of thermally conductive material rather than the entire sheet of thermally conductive material as shown in FIG. Is shown. It appears that the less weight the thermally conductive material is used, the faster the heat/cold can be dispersed. This means a faster response time for seat occupants. The sensory response to this configuration is different for each seated occupant, but observation has shown that smaller areas are warmed and cooled, and therefore less than when using an overall seat covering the entire seat area. The temperature can be changed at a slightly faster rate. This allows a dramatic response to the seated occupant and a faster perceived sensory response. However, as will be noticed, the area of the seat that is warmed and cooled is smaller. It has been found that the optimum net attachment area for warming or cooling the entire surface area is approximately 20% to 50% of the net attachment area of the strip. The thermally conductive material is in thermal contact with the thermoelectric device and serves to distribute heat and cold to the seat.
続けて図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、大きな括りとして符号３００および３１６を付された座部アセンブリが、それぞれ、座部支持部３１０および３１８に取り付けられた状態で示され、熱電デバイス３１４および３２２と熱的に接続された、熱伝導性材料ストリップ３１２および３２０を含んでいる。デバイス３１４は発泡ブロックで覆われて示されている一方で、デバイス３２２は発泡ブロックなしで示されている。図１１Ａは、快適性のために座部全体にわたってほぼ同程度の発泡体厚さとすることを可能とする発泡体片を示している。グラフェン・ストリップは、他の態様同様に、伝熱プレートと熱的に接続している。グラフェン・ストリップは、ちょうど図３と同じように、発泡体から出ている。図１１Ｂは、発泡体が配置される前にグラフェン・ストリップと熱的に接続している伝熱プレートを示しており、快適性のために、発泡体表面が、一層、一枚ものになっている。 With continued reference to FIGS. 11A and 11B, seat assemblies, generally labeled 300 and 316, are shown attached to seat supports 310 and 318, respectively, and thermoelectric devices 314 and 322. And includes strips of thermally conductive material 312 and 320 that are thermally connected to. Device 314 is shown covered with a foam block, while device 322 is shown without a foam block. FIG. 11A shows a piece of foam that allows for approximately the same foam thickness across the seat for comfort. The graphene strip, like other embodiments, is in thermal communication with the heat transfer plate. The graphene strip comes out of the foam, just like in FIG. FIG. 11B shows the heat transfer plate in thermal contact with the graphene strips before the foam is placed, with the foam surface having a more solid surface for comfort. There is.
図１１Ｂには、電源への電気接続のための電線３２４が示されている。自動車用座部アセンブリは、一般的に、快適性と支持のために発泡体を使用する。一般には、ポリウレタン発泡体が好ましく、従来技術でよく知られている。全ての自動車用の被冷却／加熱座部での用途において、発泡体は、着座者の快適性を目的として使用されているが、一方で、発泡体は、座部着座者への冷却や加温を供給する熱伝導性材料からの熱の移動をブロックし、熱が発散して意図した機能が果たされなくなるのを防ぐ、遮熱材としても働く。発泡体が通常のポリウレタンであっても、特別に調製されたポリウレタンであっても、他の高分子材料であっても、または、コットン、合成繊維材料、グラスファイバー、ポリイソシアネート発泡体または天然の詰め綿材等の他の材料から作られていても、機能は同じである。座部用の発泡体は、ミシガン州のＪｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ社、ヨーロッパのＦａｕｒｅｃｉａ社のような多くの自動車用製品供給会社、または、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のような化学製品供給会社から、商業的に入手可能である。 FIG. 11B shows a wire 324 for electrical connection to a power source. Automotive seat assemblies generally use foam for comfort and support. Polyurethane foams are generally preferred and are well known in the art. In all automotive cooled/heated seat applications, foam is used for occupant comfort, while foam is used for cooling and heating seat occupants. It also acts as a heat shield, blocking the movement of heat from the heat-conducting material that supplies the heat and preventing the heat from diverging and losing its intended function. Whether the foam is a regular polyurethane, a specially prepared polyurethane or other polymeric material, or cotton, synthetic fiber material, glass fiber, polyisocyanate foam or natural The function is the same even if it is made from other materials such as cotton wadding. Seat foams are commercially available from many automotive product suppliers such as Johnson Controls of Michigan, Faurecia of Europe, or chemical product suppliers such as Dow Chemical of Midland, Michigan. Is available at.
図１２は、大きな括りとして符号３２６を付したアルミニウム・ブロック伝熱部材の斜視図である。アルミニウム・ブロック３２８は、好ましくはグラフェン材料製のシート状またはストリップ状の熱伝導性材料３３０と、熱的に接続している。アルミニウム・ブロック３２８は、効率的な熱伝達のために、熱電デバイス３３２の上に設置されている。ヒートシンク・アセンブリ３３４は、熱電デバイス３３２の下に配置され、垂直方向に向けられたヒートシンク・フィンが見えている。ファン３３６は、電線３３８によって電力を受け取り、ヒートシンク・フィンに空気を送る。または、アルミニウム・ブロック３２８は、後に図１３を参照しながら詳述するように、互いに接着された熱伝導性ストリップの多層アセンブリによって、置換されてもよい。 FIG. 12 is a perspective view of an aluminum block heat transfer member designated by reference numeral 326 as a large bundle. The aluminum block 328 is in thermal communication with a sheet or strip of thermally conductive material 330, preferably made of graphene material. Aluminum block 328 is installed above thermoelectric device 332 for efficient heat transfer. The heat sink assembly 334 is located below the thermoelectric device 332, with the vertically oriented heat sink fins visible. The fan 336 receives electrical power via electrical wires 338 and directs air to the heat sink fins. Alternatively, the aluminum block 328 may be replaced by a multi-layer assembly of thermally conductive strips bonded together, as will be described in more detail below with reference to FIG.
本態様、または、他の全ての態様において、好ましい、適する熱伝導性可撓性材料として、グラフェン・ナノプレートレットまたはナノチューブのシートまたはストリップが含まれていてよいが、他の何らかの適する熱伝導性可撓性材料も使用可能である。この構想の開発において今までに使用された、特に適する熱伝導性材料には、補強のために薄いプラスチック・シート等の適する基材に結合されたグラフェン・ナノプレートレット材料のシートから作られた、厚さ１８０μｍのシート状材料である、グラフェン・ナノプレートレット・シートの使用が含まれる。本態様においては、薄いプラスチック・シート基材は、適するシート状のプラスチックであれば何でもよいが、わずかな熱インピーダンスを示すことから、ポリエステルまたはポリエチレンであることが好ましい。厚さ２２０μｍのシートについても、試験したところ、適していることが分かった。材料の厚さは、冷却および加温を必要とする領域に基づいて決定される。このように決定された厚さは、１２０μｍから２２０μｍの範囲が可能であるが、ある種の用途においては、別の厚さの使用も可能である。この材料は、熱伝導率が４００〜５００＋Ｗ／ｍＫであることが好ましい。このような適するグラフェン・ナノプレートレット材料は、ミシガン州ランシングのＸＧ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社から商業的に入手可能である。使用した他の材料としては、日本の三菱樹脂等の数社から購入した工業材料等の、炭素繊維布および黒鉛布が含まれる。 In this or all other embodiments, a preferred, suitable thermally conductive flexible material may include a sheet or strip of graphene nanoplatelets or nanotubes, but any other suitable thermally conductive material. Flexible materials can also be used. A particularly suitable thermally conductive material used to date in the development of this concept was made from a sheet of graphene nanoplatelet material bonded to a suitable substrate such as a thin plastic sheet for reinforcement. , The use of graphene nanoplatelet sheets, which are sheet-like materials with a thickness of 180 μm. In this embodiment, the thin plastic sheet substrate may be any suitable sheet plastic, but is preferably polyester or polyethylene because it exhibits a small thermal impedance. A 220 μm thick sheet was also tested and found to be suitable. Material thickness is determined based on the area requiring cooling and warming. The thickness thus determined can range from 120 μm to 220 μm, although other thicknesses can be used in certain applications. This material preferably has a thermal conductivity of 400 to 500+W/mK. Such suitable graphene nanoplatelet materials are commercially available from XG Sciences, Inc. of Lansing, MI. Other materials used include carbon fiber cloth and graphite cloth, such as industrial materials purchased from several companies such as Mitsubishi Plastics in Japan.
質量が軽く重量の軽い支持材として働く、複数のグラフェン・ストリップを貼り付けるために使用できる薄いシート状基材としては、多くのものがある。特に、炭素繊維材料、プラスチックまたは金属の網、さらには、グラスファイバーの薄い層などのような、薄くて強度の高い材料は、複数のストリップを貼り付けて強度と可撓性を兼ね備えた構造を形成するための基材として、有用である可能性がある。グラフェンのストリップまたはシートに貼り付けられる、この薄いシート状基材の構造としては、孔等のない完全なシートや、孔や小孔の拡張されたスリットなどを有する部分的なシート等、多くの構造が含まれ、または、カバー層の熱インピーダンスなしに伝熱材料とのより直接的な接触を提供できるように、４％から約５０％の正味接触自由面積が露出されている他の何らかの構造でもよい。この多層ストリップの「張り子」構造を使用することは、熱または冷熱が座部の表面に伝達される前に、システムが、まず、全ての熱または冷熱をアルミニウム・ブロックから押し出す必要がないことから、図１２に示されたような塊状のアルミニウム・ブロックよりも昇温が速く、最も効果的であり得る。この構造は、塊状の金属ブロックよりも、ずっと質量が小さく、熱伝導率が良い。 There are many thin sheet-like substrates that can be used to attach multiple graphene strips that act as a low weight, light weight support. In particular, thin and strong materials, such as carbon fiber materials, plastic or metal nets, and even thin layers of glass fiber, have a structure that combines multiple strips to provide both strength and flexibility. It may be useful as a substrate for forming. The structure of this thin sheet-like substrate, which is attached to a graphene strip or sheet, can be many sheets, such as a complete sheet without holes or a partial sheet with expanded slits of holes or small holes. Structure or some other structure where a net contact free area of 4% to about 50% is exposed so that it can provide more direct contact with the heat transfer material without the thermal impedance of the cover layer. But it's okay. The use of this multi-layered strip “paper” construction is that the system does not have to first push all the heat or cold from the aluminum block before it can be transferred to the seat surface. The temperature rise is faster and may be most effective than the block aluminum block as shown in FIG. This structure has a much lower mass and better thermal conductivity than the bulk metal block.
本発明の本態様および他の態様において、伝熱ブロックの使用が望ましい場合がある。伝熱ブロックは、熱電デバイスの伝熱面積を増やすことができ、このため、座部の着座者に熱を広げるため、または、座部の着座者から熱を受け取るために使用される、熱伝導性材料の熱接触面積を増やすことができる。この面積の増加により、熱ポンプシステムの熱抵抗が低減する。伝熱ブロックは、熱伝導性の材料であればよいが、通常はアルミニウムであり、商業的な金属供給業者から入手できる。または、上述の多層ストリップ構造が有利な場合もある。また、熱電デバイスが伝熱材料に直接結合されて、伝熱ブロックが必要でない場合もある。 In this and other aspects of the invention, it may be desirable to use a heat transfer block. The heat transfer block can increase the heat transfer area of the thermoelectric device and, thus, is used to spread heat to or to receive heat from the seat occupant. The thermal contact area of the conductive material can be increased. This increase in area reduces the thermal resistance of the heat pump system. The heat transfer block may be any material that is thermally conductive, but is typically aluminum and is available from commercial metal suppliers. Alternatively, the multilayer strip structure described above may be advantageous. Also, the thermoelectric device may be directly bonded to the heat transfer material and a heat transfer block may not be needed.
さらに、これら様々な態様においては、ヒートシンクを備えることが望ましい場合がある。ヒートシンクは、空気の通過により、冷却モード中に熱をシンクから除去するか、または加温モード中にシンクに熱を伝達することのできる、フィンを備えた通常の型のヒートシンクでよい。この種の熱交換器は、銅のような他の金属、または、炭素、黒鉛のような他の熱伝導性材料、または、熱伝導性プラスチックで構成することもできる。他の適する空気型の熱交換器には、折り畳み型フィン、マイクロチャネル型構造、液体、および、熱パイプが含まれる。他の方法は、冷却および加温の熱伝達のために座部に使用されているのと同じかまたは類似するタイプの熱伝導性材料を、ヒートシンク用に使用することである。これは、熱ポンピング・デバイスの源への、または、源からの熱を伝達するために、熱伝導法を用いている。例として、熱伝導性部材を、乗り物の金属フロアに取り付けることができる。ヒートシンクは、世界中にあるＡａｖｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌｌｏｙ社の代理店等、世界中の多くの供給業者から購入できる。 Further, in various of these aspects, it may be desirable to include a heat sink. The heat sink may be a conventional type of heat sink with fins that is capable of removing heat from the sink during the cooling mode or transferring heat to the sink during the warming mode by the passage of air. This type of heat exchanger can also be composed of other metals such as copper, or other thermally conductive materials such as carbon, graphite, or thermally conductive plastics. Other suitable air type heat exchangers include collapsible fins, microchannel structures, liquids, and heat pipes. Another method is to use a heat conductive material of the same or similar type that is used for the seat for cooling and warming heat transfer, for the heat sink. It uses a heat transfer method to transfer heat to and from the source of the thermal pumping device. As an example, the thermally conductive member can be attached to the metal floor of the vehicle. Heat sinks can be purchased from many suppliers around the world, such as Avid Thermalloy distributors around the world.
さらに、この加温冷却システムの効率を上げるために、ファンが望ましい場合がある。好ましいファンとしては、軸流ファンおよびラジアルファンのどちらも含まれる。これらのファンは、ヒートシンクに空気を通すために使用され、また、本発明のいくつかの態様においては、座部カバーを通って着座者まで空気を通すためにも使用される。座部のサイズと冷却加熱の要求に応じて、これらのファンは、５ｃｆｍから３５ｃｆｍの範囲の容量の空気流を有することができ、ブラシレス構造で、電子的に整流されたものが好ましい。ゴルフカーのような野外環境における大型のベンチ式座部への適用のためには、ファンの流量率は、より高くてもよい。圧電ファン、ダイアフラム式エアーポンプ、空気流増幅器または静電式エアムーバーのような他の空気移動も使用できる。図示のいくつかの態様において望ましい軸流ファンは、ヒートシンクを通る空気と、ヒートシンク内の通過キャビティを用いて座部着座者へ流れる空気の両方を供給するので、そのような態様に対して特に適している。回転ファンは、空気の流れを分割して、一部がヒートシンクに、一部が座部着座者に行くようにする。 In addition, a fan may be desirable to increase the efficiency of this heated cooling system. Preferred fans include both axial fans and radial fans. These fans are used to pass air through the heat sink and, in some aspects of the invention, through the seat cover to the occupant. Depending on the size of the seat and the cooling and heating requirements, these fans can have an airflow in the range of 5 cfm to 35 cfm, preferably brushless construction and electronically commutated. For large bench seat applications in outdoor environments such as golf cars, the fan flow rate may be higher. Other air movements such as piezoelectric fans, diaphragm air pumps, air flow amplifiers or electrostatic air movers can also be used. The axial fan, which is desirable in some aspects illustrated, is particularly suitable for such aspects because it provides both air through the heat sink and air that flows to the seat occupant using a passage cavity in the heat sink. ing. The rotating fan splits the air flow such that some goes to the heat sink and some goes to the seat occupant.
図１３は、図１２のアルミニウム・ブロックの伝熱ブロックの代替となる態様３４０を図示し、伝熱ブロックとしての、熱伝導性可撓性材料の多層接着層３４２の使用を示している。この態様では、熱電デバイス３４８と、図１１Ａおよび１１Ｂに示されたような熱と冷熱を座部アセンブリに分布させるグラフェン・ストリップ３４２とを熱的に連結する、伝熱ブロック部材を構成するための材料の構成が、「張り子」のようになっている。本発明の本態様においては、グラフェン・ナノプレートレットのシートまたはストリップの多層接着層３４２がともに接着されて、前述の塊状アルミニウム伝熱ブロックの代替となる、何らかの可撓性を有する多層伝熱ブロックを形成することが好ましい。このグラフェン・ストリップの「張り子」バージョンで置換することにより、強度と可撓性を保ちつつ、より質量の小さい伝熱部材が得られる。この態様は、肥満の人が、座るか、または、特に膝に全体重をかけてピンポイントで下向きの力を掛けたときのように、より多くの重量で座部が押された場合に、より一層、材料の頑丈さと可撓性を与えることができるように構成されている。この構造によって可能となる可撓性は有用であった。この多層の構想は、試験の結果、良好な伝熱性を維持しながら、本発明の伝導性部材の全体的な頑丈さを向上させているのが示された。 FIG. 13 illustrates an alternative embodiment 340 of the heat transfer block of the aluminum block of FIG. 12 and illustrates the use of a multilayer adhesive layer 342 of thermally conductive flexible material as the heat transfer block. In this aspect, for constructing a heat transfer block member that thermally couples the thermoelectric device 348 and the graphene strip 342 that distributes heat and cold to the seat assembly as shown in FIGS. 11A and 11B. The composition of the material is "Paper". In this aspect of the invention, the multilayer adhesive layer 342 of graphene nanoplatelet sheets or strips are adhered together to provide some flexibility in the multilayer heat transfer block to replace the bulk aluminum heat transfer block described above. Are preferably formed. Substitution with a "Paper" version of this graphene strip results in a lower mass heat transfer member while maintaining strength and flexibility. This aspect is useful when an obese person is sitting or when the seat is pushed with more weight, especially when the knees are given total weight and a pinpoint downward force is applied. It is further configured to allow for the toughness and flexibility of the material. The flexibility enabled by this structure was useful. Tests have shown that this multi-layer concept improves the overall robustness of the conductive member of the present invention while maintaining good heat transfer.
再度、図１３を参照すると、多層ストリップは、熱電デバイス３４８の頂部に突き合わせ接合されるか、または、熱電デバイスに接触する表面面積を増やすために図１３に示されるようなＣ形の構成を採用することができ、または、もう一つの態様においては、熱電デバイス３４８の頂部上の熱伝達プレート３４６を使用できることがわかる。ヒートシンク３５０はファン３５２から空気を受け、熱電デバイス３４８の表面へ空気を移動させる。グラフェン・シート３４４は、熱および／または冷熱を分布させるために、グラフェン・シート３４４に温度を伝達する、伝熱プレート３４６の上に固定されている。明示されてはいないが、Ｃ形の熱伝導性材料の底部の基層は、設計に応じて、２つの異なる構成、つまり、伝熱ブロックと直接的に結合接触する構成、または熱電モジュール自体と直接的に結合する構成で試験された。Ｃ形構造の底部は、可撓性接着性伝熱材料で結合された多層構造である。本発明のいずれの態様にも適する接着剤としては、熱グリース、銀充填ゲル、充填ワックス、シリコン、パッドまたはそれらの組み合わせを含む、何らかの熱伝導性界面を含んでもよい。 Referring again to FIG. 13, the multilayer strip is butt-bonded to the top of the thermoelectric device 348 or employs a C-shaped configuration as shown in FIG. 13 to increase the surface area in contact with the thermoelectric device. It will be appreciated that, or in another aspect, a heat transfer plate 346 on top of the thermoelectric device 348 can be used. The heat sink 350 receives air from the fan 352 and moves the air to the surface of the thermoelectric device 348. The graphene sheet 344 is fixed on a heat transfer plate 346 that transfers temperature to the graphene sheet 344 to distribute heat and/or cold heat. Although not explicitly stated, the bottom substrate of the C-shaped thermally conductive material may be in two different configurations, depending on the design: direct bonding contact with the heat transfer block, or directly with the thermoelectric module itself. Tested in a positive binding configuration. The bottom of the C-shaped structure is a multilayer structure bonded with a flexible adhesive heat transfer material. Adhesives suitable for either aspect of the invention may include any thermally conductive interface, including thermal grease, silver filled gels, filled waxes, silicones, pads or combinations thereof.
熱伝導性接着剤は、適する接着剤であれば何でも使用可能であるが、再加工可能で、窒化アルミニウム充填で、電気絶縁性かつ熱伝導性で、ペーストタイプの接着剤が好ましい。この例においては、そのような適する可撓性エポキシ接着剤としては、いずれもニュージャージー州プリンストンのＡＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から商業的に入手可能な接着剤である、Ｐｒｉｍａ−Ｂｏｎｄ（登録商標）またはＡｒｃｔｉｃ Ｓｉｌｖｅｒ（登録商標）を含むことができる。 The thermally conductive adhesive may be any suitable adhesive, but is preferably a reworkable, aluminum nitride filled, electrically insulating and thermally conductive, paste type adhesive. In this example, such suitable flexible epoxy adhesives are any of the adhesives commercially available from AI Technology, Inc. of Princeton, NJ, Prima-Bond® or Arctic Silver(R). Registered trademark).
好ましい態様においては、使用中の、より大きい変形が可能となるように、基層に切り込みが入れられている。より大きい変形は、肥満の人が車の座部に膝をつき、体重のかなりの部分を座部の比較的狭い領域にかけるときのような場合に、多層部にしわが寄らないために、必要となる。第２の層は、弾性的に物理的に、入れられた切り込み部を支持し、切り込み部間の熱伝達を最大化して、他の部分より熱かったり冷たかったりする部分ができないようにするために（温度を一様にするために）、切り込み部間の熱伝達を提供する。 In a preferred embodiment, the base layer is scored to allow greater deformation during use. Larger deformations are necessary to prevent wrinkles in the multi-layered part, such as when an obese person kneels in the seat of a car and places a significant portion of his weight on a relatively small area of the seat. Becomes The second layer elastically and physically supports the incisions and maximizes the heat transfer between the incisions so that no one is hotter or colder than the other. Provide heat transfer between the cuts (for temperature uniformity).
本発明の全ての態様に関して、適する熱電冷却／加温デバイスには、いかなる商業的に入手可能な熱電デバイスも含むことができる。好ましい熱電デバイスは、自動車の電気的要件および他の低電圧適用と適合する１０〜１６ＶＤＣで効果的に作動することから、１２７対のテルル化ビスマスをベースとするデバイスである。効率を上げるために、より対数の多いデバイスを使用することも可能である。そのような適する熱電デバイスは、テキサス州ダラスのＭａｒｌｏｗ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社のような数社の製造業者から購入可能である。 For all aspects of the invention, suitable thermoelectric cooling/warming devices can include any commercially available thermoelectric device. A preferred thermoelectric device is a 127 bismuth telluride-based device because it operates effectively at 10-16 VDC, compatible with automotive electrical requirements and other low voltage applications. It is also possible to use more logarithmic devices to increase efficiency. Such suitable thermoelectric devices can be purchased from several manufacturers, such as Marlow Industries, Inc. of Dallas, Texas.
本発明の更に別の態様は、車の運転者が、車に乗り込む前に、車の座部を予め冷却または加温したい場合に、車の運転者がその車と通信できる、装置および方法を含む。本発明の加温冷却座部は、モバイル通信デバイスまたはキーホブを介した運転者からの無線通信によって作動可能である。 Yet another aspect of the invention is an apparatus and method for enabling a vehicle driver to communicate with a vehicle if the vehicle driver wants to pre-cool or warm the vehicle seat prior to boarding the vehicle. Including. The heating and cooling seat of the present invention is operable by wireless communication from the driver via a mobile communication device or key hob.
さらに、本発明のまた別の態様においては、本発明の一部である熱電モジュールは、センサとしても働くことができる。空気のみに基づく従来技術の座部の加温冷却システムにおいては、熱電モジュールは、座部の表面および座部の着座者から熱的に分離されている。しかし、本発明においては、着座者は、座部カバーと熱的に接触し、座部カバーは熱伝導性材料と接触し、熱伝導性材料は熱電デバイスと接触している。熱電デバイスは、二方向の熱ポンピングを提供できる一方で、デバイスの二つの側の平面の間に温度差があると、ゼーベック効果によって電気エネルギを生じさせることもできる。このため、本発明のこの発電態様を利用して、着座者からの熱を、着座者の温度と直接的に相関する電気エネルギの発生のために使用し、温度センサとすることができる。温度情報は、座部着座者の温度制御、および、自動的なオン・オフまたは座部着座者に供給される熱または座部着座者から除去する熱の調節の補助に使用して、最適な快適性を提供するために役立てることができる。 Furthermore, in yet another aspect of the invention, the thermoelectric module that is part of the invention can also act as a sensor. In prior art seat heating and cooling systems based on air alone, the thermoelectric module is thermally isolated from the seat surface and the seat occupant. However, in the present invention, the occupant is in thermal contact with the seat cover, the seat cover is in contact with the thermally conductive material, and the thermally conductive material is in contact with the thermoelectric device. While thermoelectric devices can provide bidirectional thermal pumping, they can also produce electrical energy by the Seebeck effect if there is a temperature difference between the planes on the two sides of the device. Thus, utilizing this power generation aspect of the present invention, the heat from the occupant can be used to generate electrical energy that directly correlates to the temperature of the occupant and serve as a temperature sensor. The temperature information is used to control the temperature of the seat occupant and to assist in the automatic on/off or adjustment of the heat supplied to or removed from the seat occupant. Can help to provide comfort.
図１４は、本発明の更に別の態様を、大きな括りとして符号３６０を付した熱制御衣類とともに図示している。ジャケット３６２は、本発明に基づいて着用者を暖かくおよび／または涼しく保つために、その背部に熱制御部を含んでいる。熱分布シート３６４は、ジャケット３６２の内層の少なくとも一部を取り囲み、これら熱分布シートは、伝熱プレート３６８を介して、熱電デバイス３７０およびヒートシンク３６６と、熱的に接続している。本発明の他の態様と同様に、熱電デバイスおよび熱分布シートは、これまでの記載に基づくものである。熱電デバイス３７０は、衣類の加温または冷却のいずれにも使用することができ、衣類の着用者に対して、快適性と温度制御を提供する。熱電デバイス３７０は、電池から電力を得てもよく、オートバイ、スノーモービルまたはボート上のものなど、何らかの差込口に差し込んでもよい。 FIG. 14 illustrates yet another aspect of the present invention with a thermal control garment, generally designated 360 as a tie. Jacket 362 includes thermal controls on its back to keep the wearer warm and/or cool in accordance with the present invention. The heat distribution sheet 364 surrounds at least a part of the inner layer of the jacket 362, and these heat distribution sheets are thermally connected to the thermoelectric device 370 and the heat sink 366 via the heat transfer plate 368. As with other aspects of the invention, the thermoelectric device and heat distribution sheet are based on the foregoing description. The thermoelectric device 370 can be used to either warm or cool clothing and provide comfort and temperature control to the wearer of the clothing. The thermoelectric device 370 may be powered by batteries and may be plugged into some outlet, such as on a motorcycle, snowmobile or boat.
再度、図１４を参照すると、このようなジャケット３６２、または本発明の加温冷却技術を組み込んだ何らかの他の衣類は、消防士、沿岸警備艇の乗組員、軍隊、その他の用途に使用できることに気づくはずである。これらの例においては、屋外用であり、衣類は電気差込口の近くにはないので、バッテリの電源パックも有効だろう。 Referring again to FIG. 14, such a jacket 362, or some other garment incorporating the warming and cooling techniques of the present invention, may be used for firefighters, coast guard boat crews, military, and other applications. You should notice. In these examples, a battery power pack would be useful as it is for outdoor use and clothing is not near the electrical outlet.
衣類３６０は、熱分布経路の一部を遮ることにより、傾斜加温冷却ゾーンを備え、熱電デバイスから離れた特定の場所における温かさ／冷たさを強化することもできる。これは、電線システムでは得られない特性である。 The garment 360 may also include a ramped heating and cooling zone by blocking a portion of the heat distribution path to enhance warmth/coldness in a particular location away from the thermoelectric device. This is a characteristic that cannot be obtained by the electric wire system.
次に、図１５を参照すると、大きな括りとして符号３８０を付された冷蔵または加温箱は箱容器３８２を含み、箱容器３８２は、箱３８２の内側の空洞を取り囲む熱分布シート３８４を備えている。熱電デバイス３８６は、熱分布シート３８４と熱的に接続し、箱の内容物に熱および／または冷熱を供給する。従来は、溶けた氷のような封入されてない液体は、ファンを破損する恐れから冷却箱に入れられなかったので、これは、従来技術と比較して大きな利点である。本発明の本態様においては、箱内の水は問題にならない。この箱の場合も、電線を介して電気の差込口から、または、バッテリパックから、いずれによって電気的に作動させることも可能である。さらに、外カバーをグラフェン材料製とし、通常はヒートシンクとファンによって提供されるヒートシンク機能を提供するように、箱の外側を構成することもできる。 Referring now to FIG. 15, a refrigeration or warming box, generally designated 380, includes a box container 382, which includes a heat distribution sheet 384 surrounding a cavity inside the box 382. There is. The thermoelectric device 386 is thermally connected to the heat distribution sheet 384 to supply heat and/or cold heat to the contents of the box. This is a great advantage over the prior art, as previously unenclosed liquids such as melted ice could not be placed in the cooling box due to the risk of damaging the fan. In this aspect of the invention, the water in the box does not matter. Also in the case of this box, it is possible to be electrically operated either from the electric outlet through the electric wire or from the battery pack. In addition, the outer cover can be made of graphene material and the outside of the box can be configured to provide the heat sink function normally provided by a heat sink and fan.
全ての態様において、デバイスが冷却モードのみで使用されるなら、ヒートシンクを、熱電デバイスの熱い側からの熱を排除するための熱パイプで構成すると、より大きな冷却効果を提供することができる。同様に、グラフェンのような熱伝導性材料を、熱電デバイスの両側に使用することができる。ファンまたは他の機械的熱分散装置を使用せずに熱を分散させるために、ホット側の熱伝導性材料を、自動車の自動ボディ・コックピット・フロアのような熱分散部材に対して、熱伝導するように取り付けることができる。 In all aspects, if the device is used in cooling mode only, the heat sink can be configured with a heat pipe to remove heat from the hot side of the thermoelectric device to provide a greater cooling effect. Similarly, a thermally conductive material such as graphene can be used on both sides of the thermoelectric device. In order to dissipate heat without the use of fans or other mechanical heat dissipating devices, the heat-conducting material on the hot side can be transferred to a heat dissipating member such as an automobile body cockpit floor Can be installed as
次に図１６を参照すると、本発明によれば、モノのインターネット（ＩｏＴ）による新たな熱制御技術が可能とされる。オフィス用椅子３９０は、磁気共鳴または誘導再充電パッド３９２と電気通信する。特に、図１０に関して上述したオフィス用椅子の用途においては、冷却加温の制御動作は、建物の温度と関連づけ、座部着座者の情報を提供するように機能し、椅子の使用は、座部の冷却加温システムを制御技術と統合することによって完成される。既に上記したように、被冷却加温座部システムは、センサとして働き、スマートサーモスタット３９４に無線信号を送ることができる。スマートサーモスタット３９４は、冷暖房空調システム３９６の温度設定を制御するコンピュータと通信する。 Referring now to FIG. 16, the present invention enables a new thermal control technology via the Internet of Things (IoT). Office chair 390 is in electrical communication with magnetic resonance or inductive recharge pad 392. In particular, in the office chair application described above with respect to FIG. 10, the control action of cooling and heating functions to correlate with the temperature of the building and provide seat occupant information, and the use of the chair depends on the seat. It will be completed by integrating the cooling and heating system of the company with control technology. As already mentioned above, the cooled heated seat system can act as a sensor and send a wireless signal to the smart thermostat 394. The smart thermostat 394 communicates with a computer that controls the temperature settings of the heating and cooling air conditioning system 396.
人が座部３９０に座ると、人からの熱エネルギが、熱分布用グラフェンを介して熱電デバイスに伝えられる。伝えられた熱エネルギが熱電デバイスの両側間に温度差を生じさせ、これによって電気エネルギが発生する。この電気エネルギが、誰か座部３９０に座っている人がいることを示すことができる送信機のエネルギとなることができる。無線でスマート・ルーム・サーモスタット３９４に接続されているとき、サーモスタット３９４と建物の冷暖房空調システム３９６は、人が座部に座っていることを知ることでき、建物空間の温度と座部着座者が通常望む座部温度を検知し、着座者が望む適切な設定温度を座部に送信し、座部冷却／加温システムによる座部の冷却または加温を開始する。 When a person sits on the seat 390, heat energy from the person is transferred to the thermoelectric device via the graphene for heat distribution. The transferred thermal energy causes a temperature difference between both sides of the thermoelectric device, which produces electrical energy. This electrical energy can be the energy of a transmitter that can indicate that there is someone sitting in the seat 390. When wirelessly connected to the smart room thermostat 394, the thermostat 394 and the building heating and cooling air conditioning system 396 can know that a person is sitting on the seat, the temperature of the building space and the seat occupant Normally, the desired seat temperature is detected, the appropriate set temperature desired by the occupant is transmitted to the seat, and the seat cooling/heating system starts cooling or heating of the seat.
熱制御技術は、また、座部が着座されて一定の温度まで冷却または加温されているという信号を、座部がスマート・ルーム・サーモスタット３９４に送信し、座部に座っている各人が、各人の個人的空間内で快適にしており、建物が着座者に対して熱的快適性をフルに提供することを必要としていないという理由で、スマート・ルーム・サーモスタット３９４が、建物の冷暖房空調システム３９６と通信して、空間の冷却または加温を減じる、というようにも機能することができる。 The thermal control technology also sends a signal to the smart room thermostat 394 that the seat is seated and cooled or warmed to a certain temperature so that each person sitting in the seat can , Smart Room Thermostats 394 provide heating and cooling of the building because it is comfortable in each person's personal space and does not require the building to provide full thermal comfort to the occupants. It may also function in communication with the air conditioning system 396 to reduce cooling or heating of the space.
座部によって提供される冷却または加温プロセスの作動に起因する、座部内での座部着座者のための個人毎の快適性を提供することにより、空調空間の温度を通常よりも高めまたは低めにすることができ、空調空間の温度維持に必要なエネルギを低減できる。例えば、夏の暑さによって建物の冷房が必要な建物内において、熱的に制御された椅子に座っている人は、建物の温度が数度上昇しても、個人的には快適性を維持することができる。多くの空調を提供する必要がないので、エネルギの節約になる。 Providing personal comfort for seated occupants within the seat due to the activation of the cooling or warming process provided by the seat, thereby raising or lowering the temperature of the conditioned space below or below normal. The energy required for maintaining the temperature of the air-conditioned space can be reduced. For example, a person who sits in a thermally controlled chair in a building that needs to be cooled by the heat of the summer will still be comfortable even if the temperature of the building rises a few degrees. can do. It saves energy by not having to provide much air conditioning.
モノのインターネット（ＩｏＴ）によって他の装置と通信する被加温冷却座部技術の他の態様は、建物設備の運転者が、どこでどの座部が着座されているかを知って、それに応じて空間の熱制御を調整できることである。照明およびセキュリティシステムのような、建物システムの他の態様も、最適化できる。さらに、座部システムがどのように使用されているのかに関する情報を集め、この情報を座部使用者の体験の改善に役立てるため、システムは、クラウドを介して、座部の使用パラメータを座部の製造業者または建物のオーナーに伝えることができる。 Another aspect of the heated and cooled seat technology that communicates with other devices via the Internet of Things (IoT) is that the building equipment operator knows where and which seat is seated, and space accordingly. It is possible to adjust the heat control of. Other aspects of the building system can also be optimized, such as lighting and security systems. In addition, in order to gather information about how the seat system is used and to use this information to improve the seat user's experience, the system uses the cloud to set seat usage parameters. You can tell the manufacturer or the owner of the building.
携帯電話が、椅子に対して、オフィスの従業員が間もなく到着して椅子に座るというような情報を伝達し、椅子使用者の到着に合わせて、または、椅子として好ましい温度に設定されるように、椅子が熱的に予め調節されるようにすることができる。モバイル機器を介すれば、座部着座者は、打ち合わせのために他の座部に移動しようするとき、建物の異なる部分にある椅子を制御することができる。 The mobile phone communicates to the chair information that an office employee is about to arrive and sits on the chair so that it is set in time with the arrival of the chair user or as a preferred temperature for the chair. The chair can be thermally preconditioned. Through mobile devices, seat occupants can control chairs in different parts of the building as they move to another seat for a meeting.
同様に、技術の拡張は、上述の熱的に制御された衣類に関しても利用することができる。座部用に使用されたのと同じ熱的装置を使用することにより、加温冷却システムは、身体温度の制御にも使用することができる。この用途では、グラフェン材料が衣類着用者の周りを包む（ラップする）ように配置され、加温および冷却モードの両方で、熱制御を提供する。図では、衣類としてジャケットを示しているが、他の衣類も、同様の方法で、熱的に制御可能である。座部への適用に関して上記したような相変化材料は、この用途でも使用できる。 Similarly, an extension of the technology can be used with the thermally controlled garments described above. By using the same thermal device used for the seat, the heated cooling system can also be used to control body temperature. In this application, graphene material is arranged to wrap around a garment wearer, providing thermal control in both heating and cooling modes. Although a jacket is shown as a garment in the figure, other garments can be thermally controlled in a similar manner. Phase change materials as described above for seat applications can also be used in this application.
本発明は、上記した熱箱を熱的に制御するために使用できる。同じ熱的装置を使用することにより、システムは、「クーラーボックス」のような遮蔽された空間を加温冷却するために使用できる。Ｉｇｌｏｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社またはカンザス州のＣｏｌｅｍａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社が製造しているクーラーボックスのような、熱電的に加温冷却される現在のクーラーボックスは、箱内部の空気をヒートシンクに通すことによって、加温または冷却された空気を使用する。このため、箱内の液体レベルを所定のレベルより低く維持する必要があり、さもないと、システムの損傷が生じる恐れがある。たとえば、これらのクーラーボックスでは、氷を使用してはいけない。氷が溶けると、水は容易にファン／ヒートシンク／熱電モジュール／電線に入り込み、故障の原因となる恐れがある。本システムは、クーラーボックスの内壁の周りの熱分布用グラフェンを包む（ラップする）か、箱の内側ライナーとして成形され、座部の冷却／加温装置と同様に、熱電システムに熱的に接続されている。 The present invention can be used to thermally control the above mentioned thermal box. By using the same thermal device, the system can be used to heat and cool a shielded space such as a "cooler box". Current cooler boxes that are thermoelectrically cooled, such as cooler boxes manufactured by Igloo Products or Coleman International of Kansas, are heated or cooled by passing air inside the box through a heat sink. Use the prepared air. Therefore, it is necessary to keep the liquid level in the box below a predetermined level, or system damage may occur. For example, do not use ice in these cooler boxes. When the ice melts, water can easily enter the fan/heatsink/thermoelectric module/wires and cause failure. The system wraps (wraps) the graphene for heat distribution around the inner wall of the cooler box or is molded as an inner liner of the box and is thermally connected to the thermoelectric system, similar to the seat cooling/warming device. Has been done.
本発明の加温冷却技術に関しては、以下の用途が想定される。まず、自動車、農機等、全てのタイプの乗り物のための被加温冷却座部としての用途や、オフィス家具等の他の座部としての用途がある。本発明の適用例としては、限定はされないが、自動車の座部、トラックの座部、オートバイの座部、オフロード車の座部、ゴルフカーの座部、重機の座部、農機の座部、オフィス用椅子の座部、軍用車両の座部、飛行機の座部、車椅子の座部、治療用ブランケット、治療用ベッド、治療用ラップ、温熱ガン等治療ベッド、自動車の被冷却加温表面、被冷却加温表面一般、コールドチェーンの医薬品、食品、化学薬品の熱的保管箱、被加温冷却衣類、工業プロセスにおける温度制御された表面、生物学的な定温放置用機器、デジタル表示装置の温度制御、サーマル・クロミック・サイニッジおよびディスプレイ、バッテリの熱制御、加温冷却された自動車ハンドル、ｌｅｄ冷却プレーン、電子回路ボードの熱的維持、冷却／加温された大型の食品用陳列提供表面が含まれる。 The following uses are envisioned for the heating and cooling technique of the present invention. First, there are applications as heated and cooled seats for all types of vehicles such as automobiles and agricultural machines, and as other seats for office furniture and the like. Applications of the invention include, but are not limited to, car seats, truck seats, motorcycle seats, off-road vehicle seats, golf car seats, heavy equipment seats, agricultural machine seats. , Office chair seats, military vehicle seats, airplane seats, wheelchair seats, therapeutic blankets, therapeutic beds, therapeutic wraps, thermal guns and other therapeutic beds, cooled heated surfaces of automobiles, Cooled heated surfaces in general, thermal storage boxes for cold chain pharmaceuticals, foods, chemicals, heated cooled clothing, temperature-controlled surfaces in industrial processes, biological incubators, digital displays Temperature control, thermal chromic signage and display, battery thermal control, heated and cooled car handles, led cooling planes, thermal maintenance of electronic circuit boards, cooled/heated large food display serving surfaces. included.
図１７Ａから図１７Ｅは、特定の領域（特に、通常は、熱が熱伝導性部材または熱ブロックによって熱電デバイスから伝達される領域）における、Ｚ軸方向の熱伝導率を向上させるための、装置と方法の変形例を示す。それは、直接、熱電デバイスに取り付けることも可能である。これらの変形例をどのように完成するか記載するにあたって、図１７Ａ〜１７Ｅに示されるような有孔プラスチックまたは他のフィルム層。図１７Ａは、フィルム層シート、好ましくはプラスチックまたはポリウレタン層の上面図または底面図を示しており、孔は、用途に応じて、片側または両側に存在してよい。図１７に示すように両側にある場合、フィルム基層の強度が最大となるように、孔はずらして配置されることが好ましい。しかし、プラスチックフィルム以外でも、適していれば、どのような基層も使用可能である。 17A to 17E show an apparatus for improving the thermal conductivity in the Z-axis direction in a specific region (particularly, a region where heat is normally transferred from a thermoelectric device by a heat conductive member or a heat block). And a modification of the method will be shown. It can also be attached directly to the thermoelectric device. In describing how to complete these variations, a perforated plastic or other film layer as shown in Figures 17A-17E. FIG. 17A shows a top or bottom view of a film layer sheet, preferably a plastic or polyurethane layer, where the holes may be on one or both sides, depending on the application. When it is on both sides as shown in FIG. 17, it is preferable that the holes are offset so that the strength of the film base layer is maximized. However, any suitable base layer other than plastic film can be used.
図１７Ａは、フィルム層を大まかな括りとして符号４００で示し、上部孔４０４と点線で示された下部孔４０６を有するシート状フィルム４０２を含んでいる。図１７Ｂは、図１７Ａのフィルムの側面図であり、熱界面化合物４１４と接触している伝熱ブロック４１２の相対的配置を示している。熱界面化合物４１４は、孔４１６を通るように突き出している。一旦、熱界面化合物が孔内に押し込まれると、熱界面化合物は、直接にグラフェン４０８と緊密な熱接触を形成し、結果として、より高い熱伝導性の接触が生じる。 FIG. 17A includes a sheet-like film 402 with the film layers generally indicated by the numeral 400 and having an upper hole 404 and a lower hole 406 shown in dotted lines. 17B is a side view of the film of FIG. 17A showing the relative placement of the heat transfer block 412 in contact with the thermal interface compound 414. The thermal interface compound 414 projects through the holes 416. Once the thermal interface compound is forced into the pores, the thermal interface compound directly makes intimate thermal contact with graphene 408, resulting in a higher thermal conductivity contact.
図１７Ｃは、上部と下部の両方に孔を有する有孔フィルムを示している。プラスチックフィルム４２０は、その中に形成された孔４２２と、強化のためにその間に配置されたグラフェン・シート４２４を有する。熱界面化合物４２６は、平らな表面の間に染み出し、これら構成要素と伝熱ブロック４２８との間の完全に熱的に接続された接触を与える。高圧化では、グラフェン・プレートレットは、支持のために使用されるフィルム層内の孔によって残された空隙領域に突き出すことになる。これによって、グラフェン材料が空隙を埋めて平らな表面が生じると、熱界面化合物は、単に、平らな表面と伝熱ブロックとの間の界面となる。 Figure 17C shows a perforated film with holes on both the top and bottom. Plastic film 420 has holes 422 formed therein and graphene sheet 424 disposed therebetween for reinforcement. The thermal interface compound 426 seeps between the flat surfaces and provides a fully thermally connected contact between these components and the heat transfer block 428. At elevated pressure, the graphene platelets will project into the void areas left by the holes in the film layer used for support. As a result, when the graphene material fills the voids and results in a flat surface, the thermal interface compound is simply the interface between the flat surface and the heat transfer block.
さらに別の態様として、図１７Ｄは、フィルム内の空隙による熱接触領域を示している。本態様においては、伝熱化合物４３６がフィルム層の空隙領域内に押し出され、グラフェン層４２３が、伝熱ブロック４３４の上に配置されたフィルム層４３０の間に挟まれている。 In yet another aspect, FIG. 17D shows the thermal contact area due to voids in the film. In this embodiment, the heat transfer compound 436 is extruded into the void areas of the film layer, and the graphene layer 423 is sandwiched between the film layers 430 disposed on the heat transfer block 434.
フィルム層のさらに別の変形例として、図１７Ｅは、より良い熱的接触を形成するためにニードル・プレートの開示された、本発明の別の態様を示している。図１７Ｅにおいて、フィルム４４０は、グラフェン・シート４４８を取り囲んでいる。熱電デバイス４４４の上には、伝熱ブロック４４２が配置され、伝熱ブロック４４２は、熱伝達化合物４４６を通って上向きに延び出してグラフェン層４４８と接触する、熱伝導性のニードル状部材を含む。伝熱プレート４４２上にニードルが含まれることにより、表面積がより大きくなり、これによって、より良い熱伝達が得られる。伝熱ニードルはフィルム層を貫いて熱伝導性材料内に到達してもよい。ニードルを備えた伝熱ブロックは、好ましくは、銅、アルミニウム、マグネシウム、熱分解黒鉛またはそれらの組み合わせのような、高熱伝導性材料によって作られる。 As yet another variation of the film layer, FIG. 17E illustrates another disclosed aspect of the invention of the needle plate for making better thermal contact. In FIG. 17E, film 440 surrounds graphene sheet 448. A heat transfer block 442 is disposed on the thermoelectric device 444, and the heat transfer block 442 includes a heat conductive needle-shaped member that extends upward through the heat transfer compound 446 to contact the graphene layer 448. .. The inclusion of the needle on the heat transfer plate 442 provides a larger surface area, which results in better heat transfer. The heat transfer needle may penetrate the film layer and reach into the thermally conductive material. The heat transfer block with needles is preferably made of a high thermal conductivity material such as copper, aluminum, magnesium, pyrolytic graphite or combinations thereof.
本態様においては、グラフェンを貫通するニードルは、グラフェンの非常に大きいＸおよびＹ軸方向の熱伝導性を活かし、Ｚ軸方向においてグラフェンに熱を伝達したりグラフェンから熱を伝達したりする。 In this aspect, the needle penetrating the graphene utilizes the very large thermal conductivity of the graphene in the X and Y axis directions to transfer heat to and from the graphene in the Z axis direction.
熱パッド・ラップ
本発明の追加の態様は、身体の一部、または身体の大部分を加温および冷却する治療用ラップ（掛けたり覆ったりする布製等のもの）またはパッドを含む、被加温および／または冷却衣類である。グラフェン材料は、熱電デバイスと組み合わせると、熱エネルギの可撓的な熱伝達を可能とする。システムを試験したところ、大変効果的であった。加温か冷却か、また、どのようなバッテリパックが使用されているかに応じて、継続作動時間は、約２〜７時間である。バッテリ技術の進歩に伴い、継続作動時間は伸びると考えられる。
Heat Pad Wrap Additional aspects of the invention include a heated wrap that includes a therapeutic wrap (such as a cloth to hang on or cover) or pad to heat and cool a portion of the body, or most of the body. And/or cooling clothing. Graphene materials, when combined with thermoelectric devices, enable flexible heat transfer of thermal energy. I tested the system and it was very effective. Depending on the heating or cooling and what battery pack is used, the continuous operating time is about 2 to 7 hours. As battery technology advances, continuous operating time is expected to increase.
現在のところ、発明者は、加温と冷却の両方が可能な、いかなるシステムも知らない。従来技術のシステムは、加温か冷却のどちらかであり、本発明同様に着られるほど十分小型で軽量な一つの装置でありながら、両方が可能なものはない。大型の中央熱交換器からの液体を、身体に配置されたチューブまたは液体袋にポンプで送り込む、液体冷却加温システムは存在する。バッテリを電源とし、抵抗加温を利用する、電気システムは存在する。温熱療法では、冷却は、一般に、氷袋を、身体を冷やし過ぎたり凍らせたりしないように身体からの熱伝達を小さくするためのタオルまたは他の布とともに使用して行われる。相変化材料も使用される場合がある。加温と冷却の両方を行うためには、現在は、２つの異なる手段を用いるか、身体に接触するパッドを固定式の熱交換器と接続する液体チューブを備えた１つの手段を用いなければならない。 At present, the inventor is unaware of any system capable of both heating and cooling. Prior art systems either heat or cool, and are one device that is small and lightweight enough to be worn like the present invention, but not both. Liquid cooling and warming systems exist that pump liquid from a large central heat exchanger into a tube or liquid bag located in the body. There are electrical systems that use batteries to power and utilize resistive heating. In hyperthermia, cooling is generally done using an ice bag with a towel or other cloth to reduce heat transfer from the body so it does not overcool or freeze the body. Phase change materials may also be used. Both heating and cooling must currently be done using two different means, or one with a liquid tube connecting the body contacting pad to a stationary heat exchanger. It doesn't happen.
本システムは、加温と冷却を行い、所望の温熱療法を施すことができるように温度制御が可能である。加温サイクルの直後に冷却サイクルを行うことができ、または、逆も可能である。本システムの利点のひとつは、拘束をなくすことができる点であり、着用者は、本装置を使用中、自由に動くことができる。 The system is capable of heating and cooling and controlling the temperature so that the desired hyperthermia can be administered. The cooling cycle can be performed immediately after the heating cycle, or vice versa. One of the advantages of the system is that there is no restraint and the wearer is free to move during use of the device.
無線接続されたとき、本装置は、ユーザーが、モバイル機器を使用して操作することができる。ヘルスケア提供者によって作成された加温冷却計画をダウンロードすることができ、ユニットは、加温および／または冷却の現在の「お気に入り」も使用することができる。 When wirelessly connected, the device can be operated by the user using a mobile device. The heating and cooling plan created by the healthcare provider can be downloaded and the unit can also use the current "favorites" of heating and/or cooling.
この用途においては、グラフェンは可撓性で身体に沿うことができなければならない。このために、グラフェンは、織物であることが好ましく、その織物は、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社から商業的に入手可能なＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ ３−１９５３のようなシリコン系材料でコンフォーマルコーティングされることが好ましい。背部や胸部のような、多次元的な身体適合性がそれほど重要とされない身体部分のためには、シート形状のグラフェンが使用可能である。 In this application, graphene must be flexible and conformable to the body. For this reason, the graphene is preferably a woven fabric, which is conformally coated with a silicon-based material such as Dow Corning 3-1953, commercially available from Dow Corning, Inc., Midland, Mich. Is preferred. Sheet-like graphene can be used for body parts where multidimensional physical compatibility is less important, such as the back and chest.
熱シンク／ファンおよび制御シュラウドのアセンブリ内で、電源コードは、システムをバッテリまたは他の直流電源に接続する手段である。シュラウド内のスイッチによって、熱電デバイスに対する極性切り替えが可能であり、ユニットが加温中か冷却中かを、多色のＬＥＤによって表示する。加温また冷却の様々なレベルを表示する、多数のＬＥＤまたはＬＥＤバーグラフのランプも使用可能である。 Within the heat sink/fan and control shroud assembly, the power cord is a means of connecting the system to a battery or other DC power source. A switch in the shroud allows polarity switching for the thermoelectric device and multicolored LEDs indicate whether the unit is heating or cooling. Multiple LEDs or LED bar graph lamps can also be used to indicate different levels of heating or cooling.
示された制御システムは、単純な極性スイッチとＬＥＤインジケータである。しかし、熱電デバイスに到達する電気エネルギの量を可変とし、加温および冷却のレベルを変えられるように、制御装置にパルス幅変調が含まれてもよい。熱電デバイスへの電力を変えるために、単純な減衰回路も使用できる。 The control system shown is a simple polarity switch and LED indicator. However, the controller may also include pulse width modulation so that the amount of electrical energy reaching the thermoelectric device can be varied and the heating and cooling levels can be varied. Simple damping circuits can also be used to vary the power to the thermoelectric device.
制御装置は、モバイル通信機器またはコンピュータから直接にモノのインターネットに接続されることもできる。これにより、設定を、健康管理医からダウンロードしたり、ユーザーが「お気に入り」として設定したりすることが可能となる。これにより、加温サイクルと冷却サイクルの間の切り替えが可能となる。 The controller can also be connected to the Internet of Things directly from a mobile communication device or computer. This allows the settings to be downloaded from the health care doctor or set as a "favorite" by the user. This makes it possible to switch between the heating cycle and the cooling cycle.
この特定の治療用ラップは肘用であるが、ラップのデザインを変え、グラフェンの形を変えることにより、どの身体部分にも適合させることができる。グラフェンは、ネオプレン材料の２つの層の間にあるが、他の材料も使用可能である。バッテリがシステムに接続されているのが示されている。様々なバッテリが使用できる。試験して使用されたバッテリは、約７ＶＤＣから１１．１ＶＤＣの間の、Ｔｅｎｅｒｇｙ社のリチウムポリマー電池、サンヨーのリチウムイオン電池をはじめとする、様々なバッテリである。また、図示されてはいないが、加温モードでの安全な使用を保証するためにグラフェンの温度を監視することのできる、サーミスタがある。単純な二金属からなる過熱スイッチも使用可能である。 Although this particular therapeutic wrap is for elbows, it can be adapted to any body part by changing the wrap design and changing the shape of graphene. The graphene is between two layers of neoprene material, although other materials can be used. A battery is shown connected to the system. Various batteries can be used. The batteries tested and used are various batteries between about 7 VDC and 11.1 VDC, including lithium polymer batteries from Tenergy, lithium ion batteries from Sanyo. Also, although not shown, there is a thermistor that can monitor the temperature of graphene to ensure safe use in warm mode. A simple bimetallic overheat switch can also be used.
以下、詳細な熱パッド・ラップの図を参照すると、図１８は、大きな括りとして符号５１０を付された、肘用に使用されている温度調節パッド・ラップと、バッテリパックカバー５２０とファンカバー５２２を接続する電源コードの正面図である。この特定の態様は、肘にフィットし、医療目的で治療用に使用してもよく、また、温めたり冷やしたりするために使用してもよい。 Referring now to the detailed thermal pad wrap drawings, FIG. 18 illustrates a temperature control pad wrap used for an elbow, labeled 510 as a large bundle, and a battery pack cover 520 and a fan cover 522. It is a front view of the power cord which connects. This particular embodiment fits on the elbow and may be used therapeutically for medical purposes, as well as for warming and cooling.
図１９は、本発明に基づいて作られた、ヒートシンク、ファン、熱電デバイスのアセンブリの背面図である。大きな括りとして符号５３０が付され、熱電デバイス５３２、ファン・アセンブリ５３６に取り付けられた熱電デバイス・ワイヤ５３４を含んでいる。ファンの電源コード５３８が、ファンから外に延び出している。熱電デバイス５３２は、熱電デバイス５３２の動作を補助するファン・アセンブリ５３６に取り付けられている。 FIG. 19 is a rear view of a heat sink, fan, thermoelectric device assembly made in accordance with the present invention. 530 is labeled as a large bundle and includes a thermoelectric device 532 and a thermoelectric device wire 534 attached to a fan assembly 536. A fan power cord 538 extends out of the fan. Thermoelectric device 532 is attached to a fan assembly 536 that assists in the operation of thermoelectric device 532.
図２０は、大きな括りとして符号５４０を付された、ヒートシンク、ファンおよび熱電デバイスのアセンブリの側面図であり、熱電デバイス５４２、伝熱ブロック５４４、ヒートシンク５４６、バッテリパック５４７、シュラウド５４８および熱分散シート状材料５４９を含んでいる。 FIG. 20 is a side view of a heatsink, fan and thermoelectric device assembly, generally designated 540, of thermoelectric device 542, heat transfer block 544, heat sink 546, battery pack 547, shroud 548 and heat spreader sheet. Material 549.
図２１は、大きな括りとして符号５５０を付された、ヒートシンク、ファンおよび熱電デバイスのアセンブリの図であり、グラフェンのような熱分散性材料のシートに熱的に接続するように取り付けられた、ヒートシンクおよびファン５５２を含んでいる。 FIG. 21 is a diagram of an assembly of a heat sink, fan and thermoelectric device, generally labeled 550, with a heat sink attached for thermal connection to a sheet of heat dispersible material such as graphene. And a fan 552.
図２２は、ヒートシンク、ファンおよび熱電デバイスのアセンブリ５５６の図であり、シュラウド５５６、極性スイッチ５５７、ＬＥＤインジケータ５５８および電源コード５５９を含んでいる。 FIG. 22 is a diagram of a heat sink, fan and thermoelectric device assembly 556 including a shroud 556, a polarity switch 557, an LED indicator 558 and a power cord 559.
図２３は、大きな括りとして符号５６０を付された肘用の温度調節パッド・ラップであり、布製の身体部分ラップ５６４に取り付けられてバッテリ５６６から電力を供給される、ヒートシンク、ファンおよび熱電デバイスのアセンブリ５６２を含んでいる。 23 is a temperature control pad wrap for the elbow, generally designated 560, for a heat sink, fan and thermoelectric device attached to a cloth body part wrap 564 and powered by a battery 566. An assembly 562 is included.
図２４Ａおよび２４Ｂは、身体部分の周りに沿わせて使用するのに適した構造に織り交ぜられたシート状グラフェン材料のストリップを有する、織物グラフェン・パッド５７０を示す。図２４Ｂは、さらに別の態様の織物グラフェン・シート５７２を示す。 24A and 24B show a woven graphene pad 570 having strips of sheet-like graphene material interwoven into a structure suitable for use around a body part. FIG. 24B illustrates yet another aspect of a woven graphene sheet 572.
図２５は、グラフェン・シート状材料５８４に取り付けられたヒートシンクとファンのアセンブリ５８２を含み、大きな括りとして符号５８０を付された、被加温衣類を示す。 FIG. 25 shows a heated garment that includes a heatsink and fan assembly 582 attached to a graphene sheet-like material 584, labeled 580 as a large bundle.
本発明の他の態様は、作動時に、過飽和状態から発熱的に結晶化して、反応温度５４℃で熱を放出する、酢酸ナトリウム三水和物（慣用的に単に酢酸ナトリウムとも呼ばれる）のような様々な加温冷却源の使用を含む。熱を伝達するために発熱材料で身体部分を覆うことを必要とするかわりに、少量の酢酸ナトリウム三水和物または他のそのような相変化材料をグラフェン材料と熱的に接触させて、身体部分に可撓状態で熱を伝達するので、固化する酢酸ナトリウム三水和物よりも快適にコンフォーマルに熱を伝達することができる。 Other aspects of the invention, such as sodium acetate trihydrate (conventionally simply referred to as sodium acetate), upon operation, exothermically crystallizes from a supersaturated state, releasing heat at a reaction temperature of 54°C. Includes the use of various heating and cooling sources. Instead of needing to cover the body part with exothermic material to transfer heat, a small amount of sodium acetate trihydrate or other such phase change material is placed in thermal contact with the graphene material to Since the heat is transferred to the part in a flexible state, the heat can be transferred to the part conformally more comfortably than the solidifying sodium acetate trihydrate.
本装置を着用している人に快適性を提供するために、他のいかなる適する熱源および／または冷熱源を、本発明の熱分散シート状材料と熱的に接続してもよい。 Any other suitable heat and/or cold source may be thermally connected to the heat dissipating sheet material of the present invention to provide comfort to the person wearing the device.
本発明の追加の態様は、グラフェン熱拡散シートと熱的に接続される相変化材料である。熱ラップにおいて、プラスチックの小袋に入れた炭酸水素カリウム水和物または他の同様の相変化材料のような吸熱性の相変化材料を、グラフェン材料に、熱的に取り付けることができる。この材料は、相変化時に熱を吸収して冷却する。このため、この材料をグラフェンに熱的に取り付けると、治療用ラップまたは衣類において、身体への可撓的でコンフォーマルな熱伝達が可能となる。 An additional aspect of the invention is a phase change material that is thermally connected to the graphene thermal diffusion sheet. In a heat wrap, an endothermic phase change material, such as potassium hydrogen carbonate hydrate or other similar phase change material in a plastic pouch, can be thermally attached to the graphene material. This material absorbs heat and cools during the phase change. Thus, thermal attachment of this material to graphene allows for flexible and conformal heat transfer to the body in a therapeutic wrap or garment.
作成および使用方法
可撓性グラフェンの作成
グラフェン・シート材料は、グラフェンをストリップ状に切り、織物形式にすることによって、大幅に可撓性を増加させることができる。基材をともに結合するため、この試作品においては、非常に粘度の低いシリコンのコンフォーマルコーティング（米国ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社から商業的に入手可能なＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ ３−１９５３）が使用された。これにより、個々のストリップがともに結合され、重なり合ったストリップの接触点に、結合された熱界面が提供される。さらに、これにより、マット全体に対して防水シールが提供される。この織物材料は、殆どどのような形にもすることができる。この作成は、本特許出願に記載される被加温冷却衣類の可撓性、耐久性および快適性の向上を助けるために行われた。これは、座部用途および、本特許出願に記載の多くの用途においても、使用可能である。
Method of Making and Use Making Flexible Graphene Graphene sheet material can be significantly increased in flexibility by cutting graphene into strips and woven form. To bond the substrates together, a very low viscosity conformal coating of silicon (Dow Corning 3-1953, commercially available from Dow Corning, Midland, Mich., USA) was used in this prototype. .. This bonds the individual strips together, providing a bonded thermal interface at the contact points of the overlapping strips. Furthermore, this provides a waterproof seal for the entire mat. The textile material can be of almost any shape. This preparation was made to help improve the flexibility, durability and comfort of the heated cooling garments described in this patent application. It can also be used in seat applications and many of the applications described in this patent application.
液体伝熱態様
治療用パッド／衣類を参照しながらこれまでに説明してきた技術を用いた被冷却／加温衣類に関する開発の過程で、新たな技術が開発された。基本的な構成として、空気ファン＆ヒートシンクのユニットに取り付けられた液体伝熱ブロックを介して熱電モジュールの一方の側から（一方の側へ）熱を移動させて熱を排出する（送り入れる）液体システムを使用することにより、最終的なヒートシンキングは、熱電モジュールから分離されている。シート形状、織物または強化されたグラフェンの使用に関しては、上記の座部および治療用パッド／衣類の態様で開示されたのと同様である。
A new technology was developed in the process of developing a cooled/heated garment using the technology described so far with reference to the liquid heat transfer mode treatment pad/garment. As a basic configuration, a liquid that moves heat from one side (to one side) of the thermoelectric module and discharges (feeds) the heat through the liquid heat transfer block attached to the air fan & heat sink unit. By using the system, the final heat sinking is separated from the thermoelectric module. Regarding the use of sheet shape, woven or reinforced graphene, it is similar to that disclosed in the seat and therapeutic pad/garment aspects above.
以下、詳細に図を参照して説明する。熱電モジュールは何個使用してもよいが、図２６に示す熱電デバイスシステムは、大きな括りとして符号６００を付され、第１および第２の二つの熱電モジュール６０２、６０４と、一つのヒートシンク６０６を含んでいる。後続のアセンブリに示されるように、電源パック６６０８によって、熱電デバイスに直流電源が供給されている。 The details will be described below with reference to the drawings. Although any number of thermoelectric modules may be used, the thermoelectric device system shown in FIG. 26 is designated by a large block 600 and includes two first and second thermoelectric modules 602 and 604 and one heat sink 606. Contains. A power pack 6608 provides DC power to the thermoelectric device, as shown in the subsequent assembly.
冷却モードにおいては、熱は、熱電モジュールの熱電デバイス６０２および６０４によって伝熱プレート６１０から汲み出される。続いて、熱は、グラフェン（この画像内には示されていない）から汲み出され、続いて、グラフェンは、グラフェンと接触している全てのもの、例えば人から、熱を汲み出す。汲み出された熱は、液体ヒートシンクに送られる。好ましくは水／グリコール溶液のような安定な伝熱流体である液体６１２は、ポンプによって、液体ヒートシンクを通って循環させられる。この加熱された流体は液体ヒートシンクを通過し、液体ヒートシンクは、熱が環境に排出される場所であるヒートシンク／ファンのアセンブリに、熱的に結合されている。 In the cooling mode, heat is pumped from the heat transfer plate 610 by the thermoelectric devices 602 and 604 of the thermoelectric module. Heat is then pumped from the graphene (not shown in this image), which in turn pumps heat from everything in contact with the graphene, such as a person. The pumped heat is sent to the liquid heat sink. A liquid 612, which is preferably a stable heat transfer fluid such as a water/glycol solution, is circulated by a pump through a liquid heat sink. This heated fluid passes through a liquid heat sink, which is thermally coupled to a heat sink/fan assembly where heat is radiated to the environment.
加温モードにおいては、熱電デバイス・モジュール６００は、直流電源の逆の極性で作動する。ポンプ作用と熱伝達は、冷却モードと同様に作用するが、異なるのは、熱電デバイスが流体から熱を汲み出し、加温される対象に汲み入れることである。熱電モジュールによって熱が取り除かれて冷却された流体は、熱電モジュールに取り付けられた液体ヒートシンクから、空気ヒートシンクによってファンの強制空気から抽出された熱を介して熱がシステムに戻される場所である、ファン／ヒートシンクのアセンブリに取り付けられた液体ヒートシンクに流れる。 In the warming mode, the thermoelectric device module 600 operates with the reverse polarity of the DC power source. Pumping and heat transfer act similarly to the cooling mode, with the difference that the thermoelectric device pumps heat from the fluid and into the heated object. The fluid, which has had its heat removed and cooled by the thermoelectric module, is where the heat is returned to the system from the liquid heat sink attached to the thermoelectric module via the heat extracted from the forced air of the fan by the air heat sink. / Flows to a liquid heat sink attached to the heat sink assembly.
試験に成功した別の方法は、ポンプ＋ファン／ヒートシンクのアセンブリを運転せず、熱電モジュールが、流体ヒートシンクの流体から熱を汲み出すようにし、また、抵抗加熱によっても熱を作り出すものである。加温モードにおいて、熱電モジュールも、熱電モジュールの抵抗を要因とする抵抗加熱によって熱を作り出すからである。 Another method that has been successfully tested is to run the pump+fan/heatsink assembly without the thermoelectric module pumping heat from the fluid in the fluid heatsink, and also to generate heat by resistive heating. This is because in the heating mode, the thermoelectric module also produces heat by resistance heating caused by the resistance of the thermoelectric module.
熱電モジュールが、様々な目的を達成するために、様々な方法で使用されることに注目すべきである。例えば、図２６に示された２つの熱電モジュールの配置においては、熱電モジュールは、システムの熱ポンピング能力をもたらす利益を増進するように、配置することができる。この配置においては、得られる最高温度は、システムを作動させるのに必要な電力の量から来る。図２６の熱電モジュールが並列に配線されている場合、熱電モジュール毎に、約１２ＶＤＣがかかり、各熱電モジュールには約３アンペアの電流が流れる。 It should be noted that thermoelectric modules are used in different ways to achieve different purposes. For example, in the two thermoelectric module arrangement shown in FIG. 26, the thermoelectric modules can be arranged to enhance the benefits that result in the thermal pumping capability of the system. In this arrangement, the maximum temperature obtained comes from the amount of power required to operate the system. When the thermoelectric modules in FIG. 26 are wired in parallel, about 12 VDC is applied to each thermoelectric module, and a current of about 3 amps flows through each thermoelectric module.
同じモジュールが直列に配線されている場合、各熱電モジュールは約６ＶＤＣとなり、約１アンペアの電流が流れる。熱をシステムから放出するために、利用可能な豊富な電気エネルギと、適切なサイズのファン／ヒートシンクのアセンブリがあって、高レベルの冷却または加温が必要な場合には、システムを並列で作動させることが選択される。 If the same modules were wired in series, each thermoelectric module would have about 6 VDC and a current of about 1 amp. Operating the system in parallel when a high level of cooling or warming is required, with abundant electrical energy available and a properly sized fan/heatsink assembly to dissipate heat from the system To be selected.
しかし、小さなバッテリを使用するか、または、他のそのような電源制限がある、衣類をベースとするシステムの場合などや、衣類または座部または何らかのものに組み込むのを容易にするためにファン／ヒートシンクのサイズを最小サイズに制限したい場合、熱電モジュールを配線することが選択される。 However, to facilitate integration into a garment or seat or something, such as in clothing-based systems that use small batteries or have other such power limits, If you want to limit the size of the heat sink to a minimum size, then wiring the thermoelectric module is chosen.
熱電モジュールの成績係数（ＣＯＰ）は、熱電モジュールにかかる電圧が熱電モジュールの最大電圧より下がると、大幅に上昇する。公称１２ＶＤＣの熱電モジュールで最大電圧（Ｖｍａｘ）が約１６ＶＤＣの場合、電圧を６ＶＤＣまで下げると、成績係数（ＣＯＰ）が大幅に上昇する。本発明では、低電力を要件とする用途において成績係数（ＣＯＰ）を大幅に高くする戦略をとっている。システムの成績係数（ＣＯＰ）が高くなることは、より多くの熱をより効率的にポンプできることを意味している。衣類においては、パッケージサイズの最小化が望まれる他の用途におけるのと同様、熱ポンプがより効率的になるので、ファン／ヒートシンクのシステムを、大幅に小型化できる。 The coefficient of performance (COP) of a thermoelectric module increases significantly when the voltage across the thermoelectric module falls below the maximum voltage of the thermoelectric module. When the maximum voltage (Vmax) is about 16 VDC in the thermoelectric module with a nominal 12 VDC, the coefficient of performance (COP) is significantly increased when the voltage is reduced to 6 VDC. The present invention employs a strategy of significantly increasing the coefficient of performance (COP) in applications that require low power. The higher coefficient of performance (COP) of the system means that more heat can be pumped more efficiently. In clothing, as in other applications where minimization of package size is desired, the heat pump becomes more efficient, allowing the fan/heat sink system to be significantly smaller.
図２７は、図２６を参照しながら上記で説明した構成要素のアセンブリに関して、より詳細に示すものであり、ポンプ６０８に接続された、液体の入ったチューブ６１２を示している。電力は、電線６１４によってポンプにもたらされる。 FIG. 27 is a more detailed view of the assembly of the components described above with reference to FIG. 26, showing a tube 612 with liquid connected to a pump 608. Electric power is provided to the pump by wire 614.
図２８は、被冷却／加温衣類に挿入される前の、図２７のアセンブリを示している。大きな括りとして符号６２０を付されたアセンブリは衣類内に配置され、内側ライナー布６２２の下にグラフェン材料ストリップ６２４を含み、着用時には、内側ライナー布６２２が身体と接触する。膨張可能な空気袋（図示略）を備えた試作品も作成された。空気袋が、グラフェン６２４の裏の部分の衣類布層内に配置されることで、グラフェン・ストリップに圧力がかかって、グラフェンで裏張りされた布が、強制的に、身体と緊密に接触させられる。これにより、身体へのまたは身体からの熱伝達を助けることができる。いくらかの医療用途においては、衣類による身体の押圧が追加の利点となる。 28 shows the assembly of FIG. 27 prior to being inserted into the cooled/warmed garment. The assembly, generally designated 620, is placed within the garment and includes a strip of graphene material 624 underneath the inner liner fabric 622 such that the inner liner fabric 622 contacts the body when worn. A prototype with an inflatable bladder (not shown) was also created. An air bladder is placed in the garment cloth layer behind the graphene 624 to exert pressure on the graphene strip, forcing the graphene-lined cloth into intimate contact with the body. To be This can help transfer heat to and from the body. In some medical applications, body pressure with clothing is an added benefit.
図２９は、被冷却／加温衣類６２６に取り付けられた図２６のアセンブリを示している。同じ型のシステムは、他の多くの用途にも使用できる。一例としては、座部を挙げられるだろう。 29 shows the assembly of FIG. 26 mounted on a cooled/warmed garment 626. The same type of system can be used for many other applications. One example would be the seat.
図３０は、加温冷却システム６３４が取り付けられたオートバイの座部６３０の下側を示している。液体チューブの多くは、座部発泡体６３２内に埋め込まれているため、見えていない。グラフェンは、座部の、人間の体と接触する側、つまり、座部の反対側に配置されている。 FIG. 30 shows the underside of a motorcycle seat 630 with a heating and cooling system 634 attached. Many of the liquid tubes are not visible because they are embedded within seat foam 632. The graphene is arranged on the side of the seat that comes into contact with the human body, that is, on the side opposite to the seat.
図３１は、少なくとも一つの伝熱プレート６３２の上に、部材間の熱的接続のためにグラフェンを取り付ける直前の、オートバイの座部６３０の上側を示している。この特定のケースにおいては、取り付けは、熱伝導性接触接着剤を用いて行われたが、他の適する取付手段も利用可能である。 FIG. 31 shows the upper side of the motorcycle seat 630, just prior to mounting graphene on at least one heat transfer plate 632 for thermal connection between the members. In this particular case, the attachment was done using a thermally conductive contact adhesive, but other suitable attachment means are also available.
図３２は、グラフェン・ストリップ６４０が伝熱プレート６３６に取り付けられた状態の、オートバイの座部６３４を示している。最終的には、座部カバー（図示略）が、オートバイの座部６３４のこの側を覆うことになる。座部カバーとグラフェン・ストリップ６４０および座部発泡体６３８の間に、発泡体、不織ポリエステルマットまたは他の適する材料等の、薄いスクリム層を配置して、座部カバーとグラフェン・ストリップ６４０およびオートバイ座部発泡体６３８との間の滑りをよくするとともに、座部カバー（革、ビニール、または他の何らかのタイプの座部カバー）を通して内部構造が見えるのを隠すのに役立ててもよい。 FIG. 32 shows a motorcycle seat 634 with a graphene strip 640 attached to a heat transfer plate 636. Eventually, a seat cover (not shown) will cover this side of the motorcycle seat 634. A thin scrim layer, such as foam, non-woven polyester matte or other suitable material, is placed between the seat cover and graphene strip 640 and the seat foam 638 to provide seat cover and graphene strip 640 and It may provide good sliding with the motorcycle seat foam 638 and may help hide the visibility of the internals through the seat cover (leather, vinyl, or some other type of seat cover).
基本的に、空気ファン＆ヒートシンクのユニットに取り付けられた液体伝熱ブロックを介して熱電モジュールの一方の側から（一方の側へ）熱を移動させて熱を排出する（送り入れる）液体システムを使用することにより、最終的なヒートシンキングは、熱電モジュールから分離されている。シート形状、織物または強化されたグラフェンの使用に関しては、上記の、元となる座部および治療用パッド／衣類の出願で開示されたのと同様である。 Basically, a liquid system that moves heat from one side (to one side) of the thermoelectric module and discharges (feeds) the heat through the liquid heat transfer block attached to the air fan & heat sink unit. By use, the final heat sinking is separated from the thermoelectric module. Regarding the use of sheet shapes, fabrics or reinforced graphene, it is similar to that disclosed in the original seat and therapeutic pad/garment application above.
図３３Ａおよび図３３Ｂは、熱電モジュール６５０と、熱電モジュールをファン／ヒートシンク６５４と熱的に接触させる液体システム６５２とを備え、熱分布用のグラフェン・ストリップを同様に使用した、開示された発明の更に別の態様を示している。本態様においては、熱電デバイス６５０は、もはや、グラフェン／伝熱プレートのアセンブリの一部ではない。熱電デバイス６５０は、液体チューブ６５２を介して液体熱交換器（図示略）を通る、熱電モジュール６５０と熱的に接触する液体を、冷却または加温し、その液体が、ポンプによって、図３２に示されたグラフェン・ストリップおよび伝熱プレートに熱的に接続された液体熱交換器に循環される。システム内の液体が冷却されているか加温されているかに応じて、身体からの熱エネルギまたは身体への熱エネルギを分布させているグラフェン・ストリップによって、着用者の身体は、冷却または加温される。前述のシステム同様、このシステムは、被冷却／加温衣類、治療用パッド、座部等、多くの用途に使用することができる。 33A and 33B show a thermoelectric module 650 and a liquid system 652 that brings the thermoelectric module into thermal contact with a fan/heatsink 654, also using a graphene strip for heat distribution, of the disclosed invention. A further aspect is shown. In this aspect, the thermoelectric device 650 is no longer part of the graphene/heat transfer plate assembly. The thermoelectric device 650 cools or warms the liquid that is in thermal contact with the thermoelectric module 650, which passes through the liquid heat exchanger (not shown) via the liquid tube 652, and the liquid is pumped to the state shown in FIG. It is circulated to a liquid heat exchanger that is thermally connected to the shown graphene strips and heat transfer plates. The wearer's body is cooled or warmed by a graphene strip that distributes heat energy to or from the body depending on whether the liquid in the system is cooled or warmed. It Similar to the system described above, this system can be used in many applications such as cooled/warmed clothing, therapeutic pads, seats, and so on.
続けて図３３Ａおよび３３Ｂを参照すると、本発明の本態様が、試作品として示されている。図３３Ａのプリアセンブリは、特に熱伝導性接触接着剤を用いて、液体ヒートシンク６５４に熱的に取り付けられた、熱電モジュール６５０を示している。図３３Ｂのポストアセンブリは、今度は、図３３Ａのアセンブリを、ファンおよびヒートシンク６５４とともに示している。熱電モジュールに供給される直流電源の極性に応じて、熱電モジュール６５０は、冷却モードにおいて液体ヒートシンクから熱を汲み出すか、または、加温モードにおいて液体ヒートシンクに熱を汲み入れる。熱は、熱電モジュール６５０と熱的に接続されたファンおよびヒートシンク６５４の使用によって、システムから排出されるか、または、システム内にもたらされる。冷却または加温された流体６５２は、グラフェンのストリップまたはシートに接続された液体ヒートシンク６５４に、ポンプで送り込まれる。グラフェンは、熱を身体へ、または、身体から伝達し、また、図３３Ｂの熱電アセンブリによって冷却または加温された流体が供給される液体ヒートシンク６５４と、熱的に接続されている。 With continued reference to FIGS. 33A and 33B, this aspect of the invention is shown as a prototype. The pre-assembly of FIG. 33A shows a thermoelectric module 650 thermally attached to a liquid heat sink 654, particularly using a heat conductive contact adhesive. The post assembly of FIG. 33B, in turn, shows the assembly of FIG. 33A with a fan and heat sink 654. Depending on the polarity of the DC power supplied to the thermoelectric module, the thermoelectric module 650 pumps heat from the liquid heat sink in the cooling mode or pumps heat to the liquid heat sink in the warming mode. Heat is drawn from or brought into the system by the use of fans and heat sinks 654 that are in thermal communication with the thermoelectric module 650. The cooled or warmed fluid 652 is pumped into a liquid heat sink 654 connected to a graphene strip or sheet. The graphene is in thermal communication with a liquid heat sink 654 that transfers heat to and from the body and is supplied with fluid that has been cooled or warmed by the thermoelectric assembly of Figure 33B.
本システムにおいては、上記したシステム同様、小さい領域へのパッケージングを容易にしてシステムのコストも低減できる、より小型のヒートシンクとファンのアセンブリを可能とするような、より高い成績係数（ＣＯＰ）を提供することのできる熱電モジュール配列が使用されていることに注目すべきである。システムがより効率的に作動している場合、熱的な効率は低下するが、ヒートシンクの抵抗を高くすることができる。これは、ヒートシンクとファンを小型にしてもよいこと、および、ファンの運転速度を低くしてもよいことを意味し、ファンから発生するノイズに対して良い影響を与える。 Similar to the systems described above, this system has a higher coefficient of performance (COP) that allows smaller heat sink and fan assemblies that can be easily packaged in smaller areas and reduce system cost. It should be noted that the thermoelectric module array that can be provided is used. If the system is operating more efficiently, the thermal efficiency will be lower, but the heat sink resistance can be higher. This means that the heat sink and the fan may be downsized and the operating speed of the fan may be reduced, which has a good effect on the noise generated from the fan.
上記したシステムにおいては、より高い成績係数（ＣＯＰ）を得るための熱電モジュールの取り扱い方法の例として、それぞれ約６ＶＤＣで作動できる、２つの公称１２ＶＤＣのモジュールを使用した。本態様においては、高い熱電対数を有する単一のモジュールを使用することによっても同じ効果が得られるが、２つのモジュールも使用可能である。通常の公称１２ＶＤＣのモジュールにおいては、対数は、好ましくは１２７である。これは、１つのｐ型と１つのｎ型の要素（ペレット）が１２７対あることを意味する。単一の２５４対の熱電モジュールを使用することによっても、２つの１２７対の熱電デバイスを使用するのと同じ結果が得られる。 In the system described above, two nominal 12VDC modules, each capable of operating at about 6VDC, were used as an example of how to handle the thermoelectric modules to obtain a higher coefficient of performance (COP). In this aspect, the same effect can be obtained by using a single module having a high thermocouple number, but two modules can also be used. In a typical nominal 12 VDC module, the logarithm is preferably 127. This means that there are 127 pairs of one p-type and one n-type element (pellet). The use of a single 254 pairs of thermoelectric modules has the same result as the use of two 127 pairs of thermoelectric devices.
システムの要件に応じて、殆どの自動車やその他機器に見られるような公称１２ＶＤＣのシステムに対しては、対数がいくつであっても、通常の１２７対の熱電モジュールより多くさえあれば、成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができると考えられる。このため、対数は、用途に応じて変えればよい。もう一つの変形例は、より低い、または、より高い電圧の直流システムによって電力を供給されるシステムを含む。６ＶＤＣのシステムにおいては、成績係数（ＣＯＰ）を上げるための対数は、１２ＶＤＣのシステムより小さくなるはずである。２４ＶＤＣのシステムにおいては、対数は、２５４対より大きくしなければならないだろう。 Depending on the requirements of the system, for a nominal 12VDC system such as found in most cars and other equipment, no matter how many logarithms there are more than the usual 127 pairs of thermoelectric modules, a coefficient of performance. It is considered that (COP) can be improved. Therefore, the logarithm may be changed according to the application. Another variation includes systems powered by lower or higher voltage DC systems. In a 6 VDC system, the logarithm for increasing the coefficient of performance (COP) should be less than in a 12 VDC system. In a 24 VDC system, the logarithm would have to be greater than 254 pairs.
要約すると、本発明または本発明の範囲内の様々な具体的態様の構想と特徴のいずれかまたは全てを用いることによって生じる数多くの利益について記載してきた。 In summary, a number of benefits have been described that result from using any or all of the concepts and features of the invention or of the various embodiments within the scope of the invention.
本発明の好ましい態様に関する上記の記載は、例示と説明を目的として提示されてきた。網羅的であったり、発明を、開示された具体的形態に限定したりすることは意図されていない。特定の態様に関する上記開示に照らし合わせて、自明な改変や変更が可能である。本発明の原理と実際の用途を最良に説明し、これによって、当業者が、本発明を、意図された特定の使用方法に合うような様々な態様と様々な改変された態様において最良に使用できるように、態様を選択し説明した。本発明の範囲は、ここに添付された請求項によって定義されることが、意図されている。 The foregoing descriptions of the preferred embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the specific forms disclosed. Obvious modifications and changes are possible in light of the above disclosure of particular embodiments. The principles and practical applications of the present invention are best described so that one of ordinary skill in the art can best use the invention in various embodiments and various modifications to suit the particular intended use. Aspects have been selected and described, as appropriate. It is intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto.
１０ 座部加温冷却装置
１２ ゴムパッド
１４ 熱伝導性材料伝熱パッド
２０ 座部アセンブリ
３０ 上側伝熱ブロック
３２ 座部発泡体
３３ 伝熱パッド基板
３４ 空気流
３５ ファン
３６ 熱電モジュール
３８ ヒートシンク
４０ 下側伝熱ブロック
７０ 座部加温冷却装置
７２ 可撓性熱伝導性材料
７４ 孔
７６ 相変化材料
７８ 熱界面
８０ 伝熱ブロック
８２ 熱電モジュール
８４ ヒートシンク
８６ ファン
８８ 空気通路
９０ 空気流室
５８０ 被加温衣類
５８２ ヒートシンクとファンのアセンブリ
５８４ グラフェン・シート状材料
10 Seat Heating/Cooling Device 12 Rubber Pad 14 Heat Conductive Material Heat Transfer Pad 20 Seat Assembly 30 Upper Heat Transfer Block 32 Seat Foam 33 Heat Transfer Pad Substrate 34 Air Flow 35 Fan 36 Thermoelectric Module 38 Heat Sink 40 Lower Transfer Heat block 70 Seat heating/cooling device 72 Flexible heat conductive material 74 Hole 76 Phase change material 78 Thermal interface 80 Heat transfer block 82 Thermoelectric module 84 Heat sink 86 Fan 88 Air passage 90 Air flow chamber 580 Heated clothing 582 Heat Sink and Fan Assembly 584 Graphene Sheet Material
Claims (30)
表面に熱および冷熱を分布させるための、３７５から４０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する可撓性熱分布手段とを備えた、
加温冷却装置。 At least one integrated low voltage heating and cooling source,
A flexible heat distribution means having a thermal conductivity of 375 to 4000 W/mK for distributing heat and cold to the surface,
Heating and cooling device.
表面に熱および冷熱を分布させるための、３７５から４０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する可撓性熱分布手段と、
完全な熱的接続を作り出すための熱伝導性界面とを備えた、
加温冷却装置。 At least one integrated low voltage heating and cooling source,
Flexible heat distribution means having a thermal conductivity of 375 to 4000 W/mK for distributing heat and cold to the surface;
With a thermally conductive interface to create a perfect thermal connection,
Heating and cooling device.
表面に熱および冷熱を分布させるための、３７５から４０００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する可撓性熱分布手段と、
完全な熱的接続を作り出すための熱伝導性界面と、
加温冷却後、長時間にわたって温度を維持するための相変化材料とを備えた、
加温冷却装置。 At least one integrated low voltage heating and cooling source,
Flexible heat distribution means having a thermal conductivity of 375 to 4000 W/mK for distributing heat and cold to the surface;
A thermally conductive interface to create a perfect thermal connection,
After heating and cooling, with a phase change material for maintaining the temperature for a long time,
Heating and cooling device.
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