王焱鋒，李建紅

（1.太原理工大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院，山西 太原030024；2.山西澤清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030024）

1 車載光熱水冷空調(diào)扇的專利設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原因

針對現(xiàn)行車輛空調(diào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗燃料高達(dá)動力用燃料的15%，造價(jià)較高，設(shè)計(jì)了一款無需燃料、造價(jià)低廉的環(huán)?？照{(diào)扇，一方面減輕了驅(qū)動力源負(fù)擔(dān)；另一方面，充分利用可再生清潔能源取代了這部分燃料或電力能源，不僅可以節(jié)能減排，還可增加車輛的續(xù)行里程。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

車頂橫向水平安置空調(diào)扇體與太陽能光熱管，驅(qū)動風(fēng)力扇在箱體上方，風(fēng)力葉片、光熱水冷部件位于空調(diào)扇體之內(nèi)，出風(fēng)口置于箱體下方，布局結(jié)構(gòu)如圖1 所示，箱體的實(shí)驗(yàn)室模型如圖2 所示。

圖1 空調(diào)扇體與太陽能光熱管布局結(jié)構(gòu)

圖2 空調(diào)扇總成的實(shí)驗(yàn)室模型

2 光熱部分的改型設(shè)計(jì)

2.1 改型理由

在制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪^程中，由于原先設(shè)計(jì)中光熱部分所使用的熱水器尺寸特殊，且加工成本昂貴，置于車頂時產(chǎn)生的阻力較大。因此，決定在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上保留水冷部分，對原有光熱部分進(jìn)行改進(jìn)，取消原先采用太陽能熱水器加熱的方法，將其變?yōu)樘柲芄夥咫姛嵝滦褪┛煽販厥皆O(shè)計(jì)。

2.2 改型后的結(jié)構(gòu)

將石墨烯薄膜加熱層放置于原水冷部分的水管下方，并將加熱層開洞，這樣有利于通風(fēng)，如圖3 所示。在車頂放置1 塊太陽能光伏板用來提供加熱時所需的電量，汽車內(nèi)部安裝溫控器用來控制溫度。

3 石墨烯用于本專利的設(shè)計(jì)與控制

眾所周知，石墨烯是一種具有良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性的新型材料，且相對于太陽能熱水器，其體積小、阻力小、溫度控制方便、成本低、性價(jià)比高，節(jié)約了成本。同時，石墨烯材料重量輕、防水、防破壞、使用壽命長（40 年）、安全性高，所以，將原有設(shè)計(jì)改為新型石墨烯加熱可控溫式設(shè)計(jì)。

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高100 倍。在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100 nm 的距離上可承受的最大壓力達(dá)到了約2.9 μN(yùn)。據(jù)科學(xué)家測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55 N 的壓力才能使1 μm 的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（約100 nm）石墨烯，則需要施加約20 000 N 的壓力才能將其扯斷。

3.1 新型石墨烯加熱溫控式設(shè)計(jì)

石墨烯溫控電路如圖4 所示。

圖4 中，蓄電池將太陽能光伏板所產(chǎn)生的電能儲存起來，然后為石墨烯加熱層供電，溫控器通過傳感器調(diào)節(jié)溫度以及工作模式。石墨烯加熱層通電后產(chǎn)生大量熱量，使水管加熱變暖。汽車行駛時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使得箱內(nèi)小風(fēng)扇隨之轉(zhuǎn)動，從而吹出熱風(fēng)。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)所需石墨烯加熱片長度僅為200 mm，其功率約22 W，電壓為DC24 V。用1 塊500 mm×400 mm、30 W 的太陽能光伏板可滿足要求。如果設(shè)備1 d 需要工作16 h，則可以將太陽能所發(fā)出的電量儲存在1 塊20 Ah、24 V 的蓄電池中，當(dāng)太陽落山時蓄電池作為電源為石墨烯加熱層供電。

溫控器的溫度設(shè)定范圍為5～35 ℃，40 ℃為過熱保護(hù)溫度，輸出方式是繼電器DC24 V，電源電壓為DC24 V，額定電流為1 A，額定功率為24 W。溫度傳感器放入箱體內(nèi)壁探測溫度。

在夏天時，由于水冷部分的冰塊溫度難以控制，冰塊溫度較低，吹出的冷風(fēng)過于寒冷，易導(dǎo)致人體不適。如果探頭感受到溫度過低時，則可以適當(dāng)通電加熱石墨烯加熱層，提升綜合水冷的溫度，制造舒適的冷風(fēng)。

在冬天時，天氣較為寒冷，停車時可以將溫控器調(diào)為防凍模式，從而防止箱體內(nèi)部結(jié)冰；汽車行駛時，通過溫控器就可以正常使用制熱功能。

溫控器有3 種模式，分別為舒適、防凍、節(jié)能。

4 結(jié)論

由于石墨烯加熱層為輻射性散熱，很大程度上減小了停車對溫度的影響；采用新型石墨烯材料設(shè)計(jì)后，具有體積小、造價(jià)低、溫度控制方便、性價(jià)比高的特點(diǎn)，這在很大程度上降低了成本。同時，石墨烯材料重量輕、防水、防破壞、使用壽命長、安全性高、加熱溫度可控、舒適度高。

將石墨烯應(yīng)用到本設(shè)計(jì)中，不僅成本大大降低，科技含量提高，可以肯定的是，未來新材料的大面積應(yīng)用必將為人們的現(xiàn)代化生活帶來驚人的飛躍。