具有非對稱熱管理系統和方法的增強型氣候座椅與流程

本申請要求2015年5月12日提交的美國臨時申請No.62/160,327的優先權，其在這里作為參考并入。

技術領域

本申請涉及一種增強型熱調節氣候座椅及其操作方法。

背景技術：

熱調節座椅越來越多使用在車輛內，為車輛乘客提供更舒適的小氣候。在這樣的座椅中，通常響應用戶通過開關進行的輸入來同時且均勻地加熱或冷卻座椅底部和座椅靠背兩者。在一種類型的熱調節座椅中，座椅靠背內的加熱器可以單獨通電，而在座椅底部的加熱器關閉。

各種不同的方法已被用來冷卻座椅。在一個例子中，通常，冷卻空氣流經座椅內的通道，以通過座椅罩外部的穿孔提供冷卻流體。冷卻流體可以由車輛加熱、通風和冷卻(HVAC)系統提供或通過使用熱電裝置(例如珀耳帖裝置)提供。

在一種類型的冷卻裝置中，聚氨酯泡沫座椅部分上支撐有一個囊。支撐墊在座椅部分的任一側設置。通常，囊延伸座椅部分的整個寬度到支撐墊。囊包括提供空腔的塑料外部，在空腔中布置有透氣襯墊材料，如織物，以保持該空腔打開，使空氣可以通過空腔。在囊的塑料外部具有孔。罩布置在囊和座椅部分上方。罩包括鄰近囊的透氣層和包括穿孔的美觀層。鼓風機將冷卻流體提供至囊并流經透氣襯墊材料并流出塑料外部的孔。冷卻流體然后被透氣層分布并在美觀層的穿孔流出。

在另一種類型的冷卻裝置中，在泡沫座椅部分內具有通道。罩布置在通道上方的座椅部分上，且鼓風機向通道提供冷卻流體。冷卻流體從通道流進透氣層并流出美觀層的穿孔。

技術實現要素：

在一個具體實施例中，一種調節座椅的方法，包括操作構造為支撐乘坐者軀干的座椅靠背內的第一熱調節組件的步驟。第一熱調節組件提供第一熱傳遞速率。第二熱調節組件在構造為支撐乘坐者下半身區域的座椅坐墊內操作。第二熱調節組件的第二熱傳遞速率與第一熱傳遞速率同時提供并與第一熱傳遞速率不同。

在上述的另一個實施例中，第一熱調節組件和第二熱調節組件的操作步驟包括冷卻座椅靠背和座椅坐墊。

在上述任意另一個實施例中，第一熱傳遞速率大于第二熱傳遞速率。

在上述任意另一個實施例中，第一熱調節組件的操作步驟包括吹送流體通過熱電裝置。

在上述任意另一個實施例中，第二熱調節組件的操作步驟從鼓風機進口吹送流體到座椅坐墊支撐表面而不補充流體的冷卻。

在上述任意另一個實施例中，第一熱調節組件的操作步驟在第二熱調節組件的操作步驟之前啟動。

在上述任意另一個實施例中，第一熱傳遞速率和第二熱傳遞速率在第一時間段是不同的，且第一熱傳遞速率和第二熱傳遞速率在第一時間段之后的第二時間段是基本相同的。

在上述任意另一個實施例中，第一熱電組件的操作步驟汲取第一電流，第二熱電組件的操作步驟汲取第二電流。第一電流是第二電流的至少兩倍。

在上述任意另一個實施例中，第一電流是第二電流的至少四倍。

在上述任意另一個實施例中，第一電流是第二電流的至少八倍。

在另一個示例性實施例中，熱調節座椅包括由第一材料構成的座椅部分，其包括具有中央支撐區域的座椅支撐結構和彼此橫向間隔開一寬度的相鄰的側支撐墊。凹部布置在中央支撐區域內并包括孔眼。多孔材料布置在凹部內抵靠第一材料。第二材料抵靠第一材料和多孔材料布置。罩包括透氣層和提供外部座位表面的美觀層。透氣層抵靠第二材料布置且美觀層具有穿孔。鼓風機與座椅部分相關聯并與孔眼流體連通。鼓風機構造為通過凹部經過孔眼向多孔材料提供流體。流體配置為從多孔材料通過到透氣層并流出穿孔。

在上述任意另一個實施例中，第一材料是聚氨酯泡沫。

在上述任意另一個實施例中，座椅部分是座椅底部或座椅靠背中的一個。

在上述任意另一個實施例中，寬度是第一橫向寬度。多孔材料具有第二橫向寬度，第二橫向寬度小于第一橫向寬度的75％。

在上述任意另一個實施例中，第二橫向寬度是第一橫向寬度的35％-65％。

在上述任意另一個實施例中，多孔材料是透氣襯墊材料。

在上述任意另一個實施例中，第二材料是羊毛(fleece)。

在上述任意另一個實施例中，加熱元件在與多孔材料的相反的側上支撐在羊毛上。

在上述任意另一個實施例中，透氣層和美觀層在接縫處彼此連接。

在上述任意另一個實施例中，熱電裝置布置在鼓風機和凹部之間。熱電裝置構造為用于冷卻流體。

在上述任意另一個實施例中，第二材料是不能滲透的且具有開口。流體配置為從多孔材料通過開口到透氣層并流出穿孔。

在另一個示例性實施例中，一種向就坐乘坐者提供調節流體的方法，包括使調節流體通過阻隔層的開口并提供初始集中熱流通過穿孔層。調節流體穿過在阻隔層和穿孔層之間的透氣層分布。在初始集中熱流之后并相對于初始集中熱流，提供通過穿孔層的擴充的熱流。

在上述任意另一個實施例中，移動步驟包括把空氣吹到熱電裝置上以提供冷卻的調節流體。

在上述任意另一個實施例中，調節流體經由多孔材料移動。通過步驟包括將調節流體穿過在多孔材料上方設置的阻隔層中的開口。

在上述任意另一個實施例中，阻隔層是聚氨酯泡沫墊且開口是泡沫墊內的通道和孔。

附圖說明

當結合附圖考慮時，本申請可以參考以下詳細說明進一步理解，其中：

圖1是示出第一和第二熱調節模塊的座椅實施例的透視圖。

圖2是多孔材料的透視圖。

圖3是為了清楚起見省略加熱元件的第二材料的主視圖。

圖3A是描繪了典型的乘坐者的感知舒適度的圖，其說明響應于對稱的熱管理方法乘坐者背部和下部區域的舒適度。

圖3B是描繪了典型的乘坐者的感知舒適度的圖，其說明響應于非對稱的熱管理方法乘坐者背部和下部區域的舒適度。

圖4是相對座椅支撐表面的集中調節區域的示意圖。

圖4A是穿過座椅部分和第一熱調節模塊的截面視圖，示出了座椅坐墊的“A”表面上提供的初始分布。

圖4B是穿過座椅部分和第一熱調節模塊的截面視圖，示出了座椅坐墊的“B”表面上提供的初始分布。

圖5是示例性熱調節系統的示意圖。

前面段落、權利要求、或以下說明和附圖中的實施例、例子和改變(包括它們任意的各個不同方面或各自特征)可單獨或在任何組合中使用。結合一個實施例描述的特征適用于所有實施例，除非這些特征不能并存。

具體實施方式

圖1中示意性地示出了一個示例性的車輛座椅10。該座椅10包括座椅底部或坐墊12和座椅靠背14。座椅靠背14包括具有中央支撐區域16和彼此橫向隔開第一橫向寬度26的支撐墊18的座椅部分。頭枕20布置在中央支撐區域16上。底部12包括具有中央支撐區域21的座椅部分，該中央支撐區域21帶有間隔一寬度的橫向間隔的支撐墊24和大腿支撐墊22，其相對于中央支撐區域21是可調節的。座椅部分由第一材料構成，例如聚氨酯泡沫。

第一熱調節組件28布置在座椅靠背14內，第二熱調節組件30布置在座椅底部12內。熱調節組件如圖1中的座椅外表面下的虛影所示。在該例子中，第一熱調節組件28a和第二熱調節組件28b中的每個均分別包括第一和第二加熱和冷卻裝置28a、28b和30a、30b。在示例性座椅靠背14的例子中，冷卻可采用具有主動(active)冷卻元件的熱冷卻模塊(例如珀耳帖裝置)和鼓風機提供。在示例性座椅底部的例子中，冷卻可僅通過使用鼓風機冷卻引起的對流和通風來提供。然而，應當理解的是，可以使用與所示不同和/或另外的加熱和/或冷卻部件。例如，座椅底部12和/或座椅靠背14可不包括加熱裝置。

座椅靠背在以下說明的例子中提及，雖然公開的實施例也可以用在座椅底部。多孔材料34布置在聚氨酯泡沫座椅部分的凹部32內。多孔材料34延伸的第二橫向寬度35顯著小于第一橫向寬度26，例如，小于75％。在另一個例子中，第二橫向寬度35是第一橫向寬度26的35％-65％。因此，多孔材料34(其通過座椅支撐表面分配調節流體到乘坐者)提供更多集中的乘坐者身體的主要熱響應區域的冷卻，從而在實現舒適更需要的區域提供更快的熱響應。

多孔材料34是透氣襯墊材料，例如，由織物構成。透氣襯墊材料包括彼此分隔的織物層，最佳顯示在圖2中。絨頭紗線與織物層互連。絨頭紗線的數量、大小、方向和材料特征確定了由多孔材料提供的緩沖特征。絨頭紗線之間設置空隙，以允許流體流動。示例性的透氣襯墊材料是一種網狀泡沫，或繆勒織物(Mueller Textile)提供的三維網格(3-D)。

參考圖3，第二材料36(如羊毛或氈制品)支撐加熱元件42，加熱元件提供加熱裝置28b、30b，如圖1所示。應當理解的是，其他材料可以用于第二材料36，例如紗布或加熱器元件的載體材料。第二材料36包括在多孔材料34上方固定到中央支撐區域16的中央部分38，如圖3中虛線所示。翼40從中央部分38延伸并支撐在支撐墊18上。為了清楚起見，加熱元件42從圖3中省略，但是在圖1中示出。

第二材料36用作阻隔層并包括開口44a-44e，統稱為“開口44”，開口允許流體經由第二材料36的多孔材料從凹部32流過。除其它以外，第二材料36基本上不滲透，在一個實施例中，相比通過多孔材料34面積尺寸(areal dimensions)所提供的冷卻，第二材料允許最初更多的集中冷卻(如圖3或4B)。在另一個實施例中，第二材料36可以基本上是可滲透的，其提供對應于多孔材料34的面積尺寸的初始冷卻(例如圖4A)。

很難客觀量化一個人的熱狀態，例如，感覺和舒適度(統稱為“乘坐者熱狀況”)，以便可以自動控制熱調節系統，以實現對人預期的熱感覺和舒適度。作為一個例子，乘坐者熱狀況或狀態可以是感測熱或冷的狀況，或溫度變化。作為另一個例子，乘坐者熱狀況或狀態可以是感覺舒適或不舒適的調節，舒適度程度或舒適度變化的程度。一個試圖客觀地量化人的熱狀況的被廣泛認可的方法被稱為伯克利感覺和舒適度表(Berkeley Sensation and Comfort Scale)(“伯克利量表”)，例如在如下中描述的：Arens E.A.，Zhang H&Huizenga C.(2006)局部和全身熱感覺舒適，第一部分：統一的環境條件，熱生物學雜志，31，53-59。應當理解的是，其他方法可以用來量化乘坐者的熱狀況。

使用伯克利量表，人的熱感覺從+4至-4量化。更大的正數對應于感知熱的逐漸增加程度，更大的負數對應于感知冷的增加程度。高的正數或負數分別表示難以忍受的熱或難以忍受的冷的狀況。零表示人對任何熱感知都是中立的。伯克利量表上的人的熱舒適度從+4到-4量化，其中+4表示人是“非常舒服的”-4表示人是“非常不舒服的”。

圖3A用圖表描繪了典型的乘坐者的感知舒適度并說明了響應于典型的對稱的熱管理方法在乘坐者背部和下部區域舒適度之間的不同。需要更多的冷卻功率來克服后背新陳代謝率，因為后背的皮膚溫度更接近于身體核心體溫。

身體的不同區域(例如，背部)可能會感覺到不同的舒適度或對熱輸入不同等級的反應。因此，例如，而不是盲目地冷卻整個后背，開口(無論是通過“A”表面還是“B”表面提供)適當地的設置尺寸并且布置在適當的位置，這些位置對應于乘坐者后背的熱感受區域，所述熱感受區域將更易響應冷卻并引起熱舒適度的更快的整體感。例如，開口44a對準肩胛骨定位，開口44b對準脊椎，開口44c、44e沿背部兩側間隔，且開口44d對準后背的腰部。

參考圖4，罩48包括可透氣層52和美觀層50，其通常在接縫處彼此固定。穿孔54設置在美觀層50中，通常是穿孔皮革，以便允許冷卻液從透氣層52經由穿孔54通到外部座椅表面51，以冷卻就坐的乘坐者。在一個例子中，透氣層52布置在座椅的中央支撐區域16上的穿孔54之下，但不在所述支撐墊上。

參考圖4A，示意性地示出了座椅底部12的罩48的外圍49。罩48包括遍及區域A1的穿孔54(為了清楚起見僅僅部分示出)，罩覆蓋中央支撐區域21。多孔材料34具有圍繞區域A2的周長33，以相對乘坐者提供集中的熱調節。區域A2小于區域A1的50％，例如，在一個實施例中，區域A2是區域A1的20％-50％。在第一區域A1和第二區域A2之間的以上關系也可以用于座椅靠背14。

在該例子中，多孔材料34抵靠座椅部分和第二材料36布置，或與座椅部分和第二材料接合。透氣層52抵靠第二材料36和美觀層50布置。多孔材料34用作增壓室，且第二材料36阻礙流體流過全部部位，而是通過開口44流過乘坐者身體的更易熱感受的部分，如大箭頭F1所示。然后，隨著時間的推移，冷卻流體能過透氣層52朝向整個第一橫向寬度26分布，從而提供乘坐者身體能承受的冷卻，如小箭頭F2所示。

一個或多個孔眼56布置在座椅部分。鼓風機58包括容納在孔眼56內的出口62。在本公開中“鼓風機”和“風扇”可互換使用。泡沫墊64可以布置在出口62和座椅部分之間用于更好的密封。鼓風機58接收來自入口66的流體，其可以布置在座椅10之下，且通過熱電裝置(TED)60(例如珀耳帖裝置)供應入口空氣，以冷卻流體。

上述實施例實現了沿座椅泡沫的“A”表面對乘坐者進行調節空氣的集中輸送。用于不對稱調節的可替換實施例可以利用“B”表面分布，其中通道67或凹處的分布沿泡沫的底側形成，并且通過一排通孔69分配到“A”表面，如圖4B所示。圖4B中與圖4A中的相同的元件使用相同的附圖標記。第二材料136在圖4B所示的實施例中是可透氣的。通孔69可以布置為允許對身體主要感應機體調節(例如，沿脊柱或其他集中高熱受體)，并針對人體熱生理的快速響應。

在以上實施例中描述了用于坐墊的“推動”系統。應當理解的是，也可以使用其他實施例，例如在坐墊內的“拉動”系統，以將經過乘坐者的艙內空氣拉進和拉出座椅。在座椅底部的拉動或推動被動(passive)通風系統可以與在座椅靠背內的主動冷卻系統相結合，以提供非對稱的熱調節。在增加主動冷卻的實施例中，推動系統可以用在座椅底部。

高性能實施例可以包括通過拉動通風策略促進的非對稱冷卻。在該例子中，多個TED用來在靠背內隨著額外的鼓風機(或一組軸向風扇)推動主動調節，以拉動空氣流從艙內穿過乘坐者到座椅內。在座椅底部，單個TED(或比座椅靠背中的少的TED)用來在座椅底部內隨著額外的鼓風機(或一組軸向風扇)推動主動調節，以拉動空氣流從艙內穿過乘坐者到座椅內。

圖5中示出了示例性的熱調節系統68。加熱元件42、鼓風機58和TED60與控制器70通信，控制器接收來自輸入裝置72的命令信號。在一個例子中，座椅靠背14可以具有一對TED60而座椅底部12不具有TED。在另一個例子中，座椅靠背14可以具有一對TED60而座椅底部可以具有一個TED。在較低成本的實施例中，座椅靠背14通過一個TED調節，座椅底部僅僅通過鼓風機被動調節。因此，應當理解的是TED、鼓風機和加熱元件的各種不同組合可以用來實現加熱/冷卻的理想級別。然而，一般來說，座椅靠背14將具有比座椅底部12多的熱傳遞能力。

頸部的調節裝置可以并入頭枕，并由與例如如下申請中公開的相同的控制器70控制，即，2015年8月12日的美國專利申請No.14/824,154、名稱為“汽車頭枕熱空調節器”，且轉讓給了本申請人，該申請在這里作為參考整體納入。該頸部調節器可用于與具有非對稱熱管理的氣候座椅相結合使用，以進一步最大化乘坐者的舒適度和初始感覺。

輸入裝置72可以是用于加熱/冷卻水平的3位置開關和用于在加熱或冷卻模式之間選擇的2位置開關。如果需要，鼓風機58可以獨立控制。可以使用不同的和/或額外的輸入裝置，包括傳感器。一個例子的輸入是由被動紅外線(PIR)傳感器提供，以獲得乘坐者臉部的紅外線(IR)圖像，如在如下專利申請中公開的那樣，即，2016年4月1日提交的美國臨時申請No.62/316,938、名稱為“乘坐者熱狀態檢測與舒適調節系統和方法”，其在這里作為參考整體納入。根據該公開，例如，控制器70可以用來確定相應于乘坐者鼻子和周圍臉頰和前額的熱圖像部分。該系統確定鼻子溫度和周圍臉頰和/或前額的差異，并基于該差異確定乘坐者的熱狀態。該系統監測熱狀態的趨勢，并基于乘坐者熱狀態和狀態趨勢使用公開的非對稱熱系統調節乘坐者的加熱或冷卻率。如果需要，其他檢測系統可以用來提供所公開的非對稱熱系統的自主控制。

使用熱調節系統68調節座椅10的示例方法包括操作在座椅靠背14的第一冷卻裝置28a，以提供第一熱傳遞速率76(q₁)。座椅靠背需要比座椅底部更多的冷卻，以達到本地乘坐者舒適度，因此以基本比例的方式對乘坐者提供熱調節。在同等冷卻功率下，在座椅底部內比在座椅靠背更快發生過度冷卻。因此，座椅靠背的冷卻優先于座椅底部的冷卻，以達到乘坐者的熱平衡。對此，操作在座椅坐墊12內的第二冷卻裝置30a，以提供與第一熱傳遞速率76同時且不同的第二熱傳遞速率78(q₂)。在該例子中，第一熱傳遞速率76大于第二熱傳遞速率78，以對乘坐者靠背提供與他們下部區域(包括臀部和腿)相比更多的冷卻，以補償身體的自然熱生理反應，如圖3B所示。

在休息期間，例如長途車輛駕駛，通過主要器官產生的熱可以是大于由外周組織所產生的熱量的量級，例如2∶1、3∶1或更大。在休息期間，流入主要器官的血量可以是大于流入外周組織的血量的量級。在相對劇烈的體力活動期間，到外周組織的心臟輸出量增加并之后持續一段時間。在劇烈的體力活動和隨后的期間，由于血液中攜帶的熱量和通過肌肉產生的熱量的組合，外周組織產生的熱可以大于主要器官產生的熱。熱調節座椅系統可以檢測乘坐者的熱狀況(例如，使用PIR傳感器)并相應地調節第一熱傳遞速率和第二熱傳遞速率。與在由座椅靠背14和座椅坐墊12所調節的相應區域中由乘坐者產生或吸收的熱量差成比例地，座椅靠背14提供的第一熱傳遞速率76可以不同于座椅坐墊12提供的第二熱傳遞速率78。例如，與由乘坐者身體核心(座椅靠背14調節的區域)產生或吸收的熱量和由乘坐者臀部和大腿(由座椅坐墊12調節的區域)產生或吸收的熱量成比例地，第一熱傳遞速率76可以不同于第二傳遞率78。與如圖3A所示對稱的熱管理方法相比，這種不對稱的熱管理方法為乘坐者提供了增強的舒適度。

一個示例性的操作模式中，第一熱調節組件28(例如，第一冷卻裝置28a)先于第二熱調節組件30(例如，第二冷卻裝置30a)啟動。第一熱傳遞速率76和第二熱傳遞速率78在第一時間段是不同的，且第一熱傳遞速率76和第二熱傳遞速率78隨后在第二時間段變得基本相同。因此，最初提供非對稱熱傳遞速率。隨著時間的推移，座椅靠背14和座椅底部12所提供的熱傳遞速率可以被控制以提供對稱的熱傳遞速率。例如，這可能是通過降低座椅靠背的功率以對應座椅底部提供的功率來完成的，反之亦然。在一個例子中，在使用非對稱冷卻后，可以進入控制回路，在控制回路中，非對稱冷卻繼續或遷移向對稱冷卻或基于任何已知的輸入或傳感器的某些組合。

車輛制造商對座椅制造商只承擔用于氣候控制座椅的限制量的功率消耗量。所公開的熱調節系統68能更好地利用氣候控制座椅的可用功率。第一熱調節組件28(例如，第一冷卻裝置28a)汲取最初冷卻時的第一電流，和第二熱調節組件30(例如，第二冷卻裝置30a)汲取最初的第二電流。例如，第一電流是第二電流的至少2倍。在一個實施例中，第一電流是第二電流的至少4倍，且在另一個實施例中，第一電流是第二電流的至少8倍。相比通過均勻分布在座椅靠背和座椅底部之間的可用電流冷卻乘坐者，快速冷卻乘坐者的背部對整個乘坐者的熱舒適性有更大的影響。車輛電池和/或熱管理部件的電壓和/或電流監測可以使用所公開的氣候座椅來調整。可以根據電壓輸入來操作、調節或優化非對稱熱管理系統。對裝置的輸出電壓可以涉及最大化熱舒適度。

如果需要，在座椅靠背14和座椅坐墊12中的加熱元件42(其分別提供第三和第四熱傳遞速率80、82(q₃、q₄))可以以類似于上述冷卻作用的方式控制。

應當理解的是，盡管在所述實施例中公開了特定的部件布置，其他布置將從中獲益。雖然示出、描述并要求特定的步驟順序，應該被理解的是，可以以任意順序、單獨或合并地執行這些步驟，除非另有說明，并仍然從本發明中獲益。

雖然在示意中示出了具有特定部件的不同示例，本發明的實施方式并不限于那些特定組合。可以使用一個示例的一些部件或特征與另一示例的特征或部件組合。

雖然已經公開了示例實施方式，本領域技術人員將認識到，特定修改將落入權利要求的范圍中。為此，以下權利要求應當被研究以確定它們真實的范圍和內容。