張伊卓，張子辰，羅強(qiáng)，楊岳

（中南大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 4 1 0 0 0 6）

車(chē)肺
——高溫暴曬下的車(chē)內(nèi)控溫裝置

張伊卓，張子辰，羅強(qiáng)，楊岳

（中南大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 4 1 0 0 0 6）

基于半導(dǎo)體制冷片的P e l t i e r效應(yīng)，設(shè)計(jì)制造了夏天車(chē)內(nèi)溫度控制裝置，意在改善夏天溫度極高的車(chē)內(nèi)部環(huán)境，為司機(jī)提供一個(gè)更為舒適的駕駛環(huán)境。

汽車(chē)溫控；半導(dǎo)體制冷片；P e l t i e r效應(yīng)；太陽(yáng)能技術(shù)

1 研制背景及意義

夏天，處于太陽(yáng)暴曬下的車(chē)輛內(nèi)部環(huán)境無(wú)疑是乘車(chē)人最為頭疼的問(wèn)題之一，而近7 0℃的車(chē)內(nèi)溫度也不僅僅影響了乘車(chē)人的舒適感，更對(duì)生命健康造成了一定的威脅。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 基本方案

2.2 項(xiàng)目裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 空氣綜合處理裝置

器材：風(fēng)機(jī)，溫度控制器，活性炭等空氣凈化材料，半導(dǎo)體制冷片×2，導(dǎo)冷片 ×2，散熱片×2。

工作原理：溫控開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)內(nèi)溫度，智能啟動(dòng)。由風(fēng)機(jī)提供循環(huán)動(dòng)力，利用半導(dǎo)體制冷模塊對(duì)空氣進(jìn)行冷處理，加速車(chē)內(nèi)空氣循環(huán)，同時(shí)凈化組塊對(duì)循環(huán)空氣進(jìn)行凈化處理，將車(chē)內(nèi)因高溫而產(chǎn)生的有毒氣體，如甲醛等進(jìn)行吸附。

2.2.2 太陽(yáng)能電池供能裝置

器材：光伏板、導(dǎo)線、蓄電池組、太陽(yáng)能控制器。

工作原理：將汽車(chē)天窗原有的遮陽(yáng)材料替換成光伏板收集太陽(yáng)能，為了使其提供的電壓電流與半導(dǎo)體制冷片相匹配，必須配備蓄電池和太陽(yáng)能控制器，陽(yáng)光照射下，光能立即轉(zhuǎn)化為直流電，供給半導(dǎo)體制冷片，降低駕駛室內(nèi)溫度。當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，一部分電能直接供給半導(dǎo)體制冷片，另一部分由控制器向蓄電池輸送并儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)太陽(yáng)能電池產(chǎn)電量比較低時(shí)，再釋放給半導(dǎo)體制冷片。

2.2.3 內(nèi)循環(huán)管道模塊

器材：車(chē)載空調(diào)內(nèi)循環(huán)管道工作原理：利用汽車(chē)空調(diào)的循環(huán)管道和鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)汽車(chē)車(chē)首和車(chē)尾的風(fēng)門(mén)擋板打開(kāi)時(shí)，即為外循環(huán)，當(dāng)前后風(fēng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，形成封閉空間即為內(nèi)循環(huán)?？諝饨?jīng)過(guò)綜合處理裝置降溫進(jìn)入車(chē)輛內(nèi)部，與內(nèi)部熱空氣形成對(duì)流，再經(jīng)內(nèi)循環(huán)管道進(jìn)行循環(huán)處理里，達(dá)到降低車(chē)內(nèi)溫度的效果。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 車(chē)內(nèi)實(shí)際情況探索

車(chē)內(nèi)空間體積：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3；

夏季汽車(chē)暴曬下車(chē)內(nèi)溫度可達(dá)7 0℃，外界溫度4 0℃；

已知：太陽(yáng)照射到地面的功率大概是1 0 0 0～2 0 0 0 W，車(chē)窗玻璃的面積大約為1.7 m2，車(chē)玻璃光的透射率為8 5%，透射光的熱載體約為4 0%。車(chē)頂?shù)牟馁|(zhì)為碳素鋼，反射率為9 1.3%，導(dǎo)熱系數(shù)為5 8.3 3 W/（m·K）（6 5℃時(shí)），車(chē)頂面積大約為2.1 5 m2。

計(jì)算：太陽(yáng)光對(duì)車(chē)的加熱功率為φ：φ=φ1+φ2

透過(guò)車(chē)玻璃對(duì)車(chē)加熱功率：φ1=1 0 0 0×1.7×0.8 5×0.4=5 7 8 W

透過(guò)車(chē)頂對(duì)車(chē)的加熱功率：φ2=1 0 0 0×2.1 5×0.8 5×(1-0.9 1 3)=1 5 9 W則：φ=φ1+φ2=5 7 8+1 5 9=7 3 7 W

換氣風(fēng)扇換氣時(shí)間：譽(yù)達(dá)Y D-8 0 2 0直流汽車(chē)電子扇風(fēng)量1 m3/mi n。 則4.5 m3的高溫空氣排出，需要時(shí)間t=4.5 mi n。

3.2 制冷片制冷工作

車(chē)內(nèi)散熱量計(jì)算如下：

已知：強(qiáng)制對(duì)流條件下氣體的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h/［W/（m·K）］≈2 0-1 0 0

鋁制肋片的導(dǎo)熱系數(shù)（2 0℃時(shí)）為2 3 6 W/（m·K）；車(chē)內(nèi)氣溫T=6 0℃

大氣壓（p=1 0 1 k P a）下干空氣（6 0℃時(shí)）ρ=1.0 6 0 k g/m3，C p=1.0 0 5 k J/（k g·K）

等截面直肋的散熱效率nf：

對(duì)于矩形截面直肋：

假設(shè)整個(gè)肋表面處于肋基溫度下的散熱量：φ=A h(t f-t m)

車(chē)內(nèi)空間體積：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3

制冷片將4 0℃的車(chē)內(nèi)溫度降至3 5℃。

大氣壓（p=1 0 1 k P a）下干空氣（6 0℃時(shí)）ρ=1.0 6 0 k g/m3，C p=1.0 0 5 k J/（k g·K）；車(chē)內(nèi)空間體積：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3；

車(chē)內(nèi)氣體總散熱量：Q=cpm△t=1.0 0 5×1 03×1.0 6 0×4.5×(4 0-3 5）=2 3 9 6 9.2 5 J。

（2）制冷片工作時(shí)間計(jì)算

制冷片的制冷功率為P，采用n片制冷片：n p t=7 3 7t+2 3 9 6 9.2 5

選用T E C 1-2 6 3 1 5半導(dǎo)體制冷片，尺寸：5 0 mm×5 0 mm，取蓄電瓶2 4 V時(shí)，制冷功率2 0 0 W。當(dāng)n=5時(shí)，代入上式，t=1.5 mi n。

4 實(shí)驗(yàn)分析

水箱溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)，恒溫2 5℃；

實(shí)驗(yàn)器材：水箱，散熱器，溫度計(jì)，肋片，半導(dǎo)體，風(fēng)扇。

圖1 穩(wěn)定溫度5 4.5℃

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

本文介紹了半導(dǎo)體制冷和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，提出了太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷技術(shù)在汽車(chē)的應(yīng)用，起到使汽車(chē)在曝曬情況下的降溫作用。總體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝方便；

圖2 初始溫度2 7℃

圖3 模擬軟件：f l u e n t

（2）不需要制冷劑，因此不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，符合環(huán)境友好型理念；

（3）制冷迅速、對(duì)車(chē)體動(dòng)力無(wú)影響。

總而言之，太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷在汽車(chē)上的應(yīng)用符合當(dāng)前綠色、環(huán)保、節(jié)能的主題。該技術(shù)具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，應(yīng)用前景十分廣泛。

[1]麻友良 .汽車(chē)空調(diào)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2 0 0 9.

[2](美)施敏，李明逵.半導(dǎo)體器件物理與工藝（第三版）[M].杭州：蘇州大學(xué)出版社，2 0 1 4.

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