分配式热电加热和冷却的系统和方法
【专利说明】分配式热电加热和冷却的系统和方法
[0001]本申请是于2008年5月23日提交的名称为“分配式热电加热和冷却的系统和方法”的中国专利申请200880021383.3的分案申请。
[0002]相关申请的交叉参考
[0003]本申请要求2007年5月25日提交的美国临时申请N0.60/940，372和2007年7月31日提交的美国临时申请N0.60/953，157的权益，这两个临时申请的全部内容被包括在此以供参考。
技术领域
[0004]本发明一般涉及通风、加热和冷却系统以便形成和分配舒适的空气的领域，并涉及对应温度控制对其重要的灵敏系统进行的热管理。
【背景技术】
[0005]为实现舒适和为管理关键系统和装备的温度的加热和冷却主要是通过集中式系统实现的。在这些系统中，热和冷工作流体被用来提供对相对大体积内的目标物体和周围结构的温度控制。该系统容量必须尺寸适于加热或冷却目标物体加周围结构、外部物体和阻挡材料的热负载。非目标物体的加热和冷却导致显著的能量浪费，且系统响应时间更慢。
[0006]这种系统配置的变化涉及利用特殊导管来传递中央系统中调节的工作流体到不同区域。该方法也承受上述能量损耗。
[0007]在建筑物内，集中式加热和冷却系统被用来建立和维持占用者舒适，和在特别情形中的灵敏电子装备的温度控制。这些系统产生并分配来自中央点的加热的和冷却的空气。该系统承受相当的损耗，因为仅部分由中央系统形成的热功率达到目标物体，而大部分热容量被浪费于调节墙壁、导管、天花板、窗户和家具。具有旋转机械部件的集中式加热和冷却系统易有噪声，并经受密封和其他机械故障。系统使用消耗臭氧的制冷剂，如R-134A。除了在窄温度范围上工作的热泵系统(heat pump system)之外，还要求独立单元加热。
[0008]建筑物加热和冷却也可由较小的局部单元提供，然而这样的单元利用压缩机来冷却，但这是有噪声和震动的，且这样的单元利用易故障的机械部件、使用消耗臭氧制冷剂，并且需要使用额外单元来加热。将热电设备用于这类应用受到限制，因为其效率差并使用太多热电材料而不能在成本限内提供必要的容量。
[0009]在汽车中，空气被迫穿过集中式空气处理器单元(air handler unit)内的蒸发器芯(core)从而提供冷空气给热条件下的乘客舱。空气处理器单元内产生的冷空气是经一系列阀门和空气导管被分配以便为乘客制冷。这样的系统可在稳定的状态条件下供应3000到4500瓦特冷却空气，而乘客仅要求(和接收)小部分的冷却空气。大部分冷却空气被用来降低乘客舱的其他部件的温度，包括窗户、车顶内衬(head liner)、座椅和地板的温度。此外，这类系统的冷却设备使用具有高温室气体指数(high Green House Gas Index)的如R-134A的化学品并以易故障的机械部件来运作。
[0010]在加热模式中，空气处理器单元通过相同的分配系统来提供加热，并承受类似于A/C系统的损耗，因为大部分加热空气被用来加热乘客舱内除乘坐者之外的各种元件。而且，因为引擎冷却液的废热被用来加热乘坐者，所以响应时间慢。对于小引擎高效车辆，如柴油机车和混合动力车，尤为如此。这种情况已经被人们认识到，且正温度系数(PTC)加热器被用来补充引擎冷却液加热。然而，这类设备效率低。
[0011]Feher 说明的(1990 年 5 月 8 日公布的 “Cooling and Heating Seat PadContruct1n”，美国专利号N0.4，923，248)气候受控的座椅系统(CCS?)通过将加热和冷却设备嵌入占用者座椅靠背和坐垫中从而为分配式加热和冷却提供了热电系统，然而，这仅部分解决占用者的舒适性需求，因为人体要求加热和冷却不接触座椅和靠背的表面。此外，设备的热容量受到利用空气作为唯一工作流体的限制，因为空气热容(heat capacity)低。
【发明内容】
[0012]在某些实施例中，热电系统提供了分配式局部加热、冷却或加热且冷却。热电系统包括至少一个流体导管，其经配置允许第一工作流体流经其中。热电系统进一步包括多个热电组件。每个热电组件包括多个热电元件，且每个热电组件与第一工作流体热连通并与对应于热电组件的区域热连通。通过将热从第一工作流体传递到对应于热电组件的区域，每个热电组件选择性地可操作地加热对应于热电组件的区域，或者通过将热从对应于热电组件的区域传递到第一工作流体，每个热电组件选择性地可操作地冷却对应于热电组件的区域。每个热电组件独立于多个热电组件中其他热电组件而操作。
[0013]在某些实施例中，第一工作流体的至少一部分流经至少一个流体导管，以便第一工作流体的所述至少一部分依次与多个热电组件中的两个或更多个热电组件热连通。第一工作流体的所述至少一部分可由热电组件中的至少一个来加热并由热电组件中的至少一个来冷却。某些实施例的第一工作流体重复地流经所述至少一个流体导管。在某些实施例中，第一工作流体的至少一部分流经所述至少一个流体导管，以便第一工作流体的所述至少一部分不与多个热电组件中的两个或更多个热电组件热连通。
[0014]在某些实施例中，每个热电组件包括与第一工作流体热连通的第一侧和与第二工作流体热连通的第二侧，并经配置在第一侧和第二侧之间传递热。在某些实施例中，第二工作流体与第一工作流体相同，但在某些其他实施例中，第二工作流体不同于第一工作流体。例如，第一工作流体可以是水，而第二工作流体可以是空气。在某些实施例中，第一工作流体和第二工作流体中的至少一者是液体(例如水)。在某些实施例中，第一工作流体和第二工作流体中的一者是液体(例如水)，而另一者是气体(例如空气)。
[0015]在某些实施例中，热电系统进一步包括可调节从而控制第一工作流体在至少一个流体导管中流量的一个或更多个阀门。在某些这类实施例中，一个或更多个阀门可调节从而将一个或更多个所选热电组件置成与第一工作流体热连通。
[0016]在某些实施例中，热电系统进一步包括流体连接到至少一个流体导管的热存储库(storage reservoir) ο热存储库经配置接收第一工作流体。在某些实施例中，热存储库也经配置在峰值产生事件期间存储热功率并根据需要将热功率返回给第一工作流体。在某些实施例中，热电系统进一步包括与第一工作流体热连通的中间热交换器。中间热交换器可以与要冷却或加热的目标物体热连通。
[0017]在某些实施例中，每个热电组件包括与第一工作流体热连通的第一热交换器和与第二工作流体热连通的第二热交换器。在某些这类实施例中，每个第二热交换器冷却或加热第二工作流体从而冷却或加热对应于热电组件的区域。在某些实施例中，第二工作流体从对应于热电组件的区域流到要冷却或加热的体积。在某些实施例中，第二工作流体包括气体，而热电系统进一步包括将第二工作流体从对应于热电组件的区域驱动到该体积的一个或更多个风扇。
[0018]在某些实施例中，第一热交换器包括多个散热片。在某些实施例中，第二热交换器包括多个散热片。在某些实施例中，每个热电组件包括多个N型热电元件和多个P型热电元件，且每个热电组件进一步包括多个电导和热导连接器。每个连接器与多个N型热电元件中的至少一个和多个P型热电元件中的至少一个电连通且热连通，并与第一热交换器或第二热交换器热连通。在某些这样的实施例中，每个连接器具有第一部分和第二部分。第一部分与第一热交换器或第二热交换器热连通。第二部分被夹在多个N型热电元件中的至少一个和多个P型热电元件中的至少一个之间。
[0019]在某些实施例中，提供了分配式热电组件网络。该网络包括多个热电组件。每个热电组件具有第一侧和第二侧。每个热电组件可选择性地操作以通过将热从第一工作流体传递到对应于热电组件的区域而加热对应于热电组件的区域，或通过将热从对应于热电组件的区域传递到第一工作流体而冷却对应于热电组件的区域。每个热电组件可独立于多个热电组件中其他热电组件的操作而操作。每个热电组件包括与热电组件第一侧和第二侧热连通的多个热电元件。每个热电组件进一步包括与热电组件的第一侧热连通的第一热交换器。第一热交换器经配置与第一工作流体热连通。每个热电组件进一步包括与热电组件的第二侧和对应于热电组件的区域热连通的第二热交换器。网络进一步包括流体连接到多个热电组件中每个热电组件的第一热交换器的一个或更多个导管。一个或更多个导管提供流动路径，第一工作流体通过该流动路径流入和流出每个第一热交换器。
[0020]在某些实施例中，第一工作流体包括水并可依次流过多个热电组件。某些实施例的第一工作流体平行流过多个热电组件中的至少一些热电组件。
[0021]在某些实施例中，第二热交换器经配置与第二工作流体热连通，该第二工作流体可包括空气。在某些实施例中，第二工作流体为一定体积提供局部加热或冷却(如已调节空气)。在某些实施例中，该体积包括车辆的乘坐室或建筑物的一部分。
[0022]在某些实施例中，网络进一步包括中央处理单元。经过一个或更多个导管流到每个第一热交换器的第一工作流体的流动在某些实施例中可响应中央处理单元的信号通过至少一个阀门来调节。在某些实施例中，网络进一步包括与中央处理单元电连通的至少一个传感器。该中央处理器经配置从至少一个传感器接收至少一个信号。某些实施例中，该至少一个信号指示要局部加热或冷却的体积内的至少一个条件。该至少一个条件可从下面组中选择:环境温度、局部表面温度、辐射荷载(radiant load)、湿度、占用者/乘坐者(occupant)数目、占用者体重、占用者衣服厚度和占用者位置。
[0023]在某些实施例中，网络进一步包括流体连接到一个或更多个导管的热存储库。在某些这类实施例中，热存储库经配置在峰值发生事件期间存储热功率并根据需要将热功率返回到第一工作流体。在某些实施例中，网络进一步包括流体连接到一个或更多个导管的中间热交