將半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于空調(diào)服的可行性分析

楊帆　廉璐

摘 要：筆者簡述了將半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于空調(diào)服的原理，并且通過簡單計算選擇了所需設(shè)備的規(guī)格型號，繼而分析其可行性，提出該方案的優(yōu)點(diǎn)和未來仍需要探索改進(jìn)的地方。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；空調(diào)服；散熱

空調(diào)服是一種新型服裝，它在高溫環(huán)境下能為人體提供所需的冷量，使其維持正常的生理活動，提高工作效率。目前，國內(nèi)外科學(xué)家已經(jīng)提出了多種類型的空調(diào)服廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，比如液體循環(huán)空調(diào)服、PCM空調(diào)服等，但是他們或多或少都存在著一些弊端。半導(dǎo)體制冷片使用的是一種新型的制冷方式，由于其體積小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，正在被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域。因此，文章嘗試提出了將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)服的猜想。

1 工作原理

1.1 半導(dǎo)體制冷原理。半導(dǎo)體制冷應(yīng)用的是帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)兩個不同的導(dǎo)體材料連結(jié)成電偶對并通以直流電時，在他們的接點(diǎn)處會發(fā)生熱量的傳遞，使一端成為冷端，另一端成為熱端。其中換熱量的大小與電偶對的數(shù)量有關(guān)，是直流電流的函數(shù)。

1.2 該空調(diào)服工作原理。該空調(diào)服使用空氣作為熱量傳遞的介質(zhì)，如圖1工作原理圖，接通電源后，高溫空氣在小型風(fēng)扇的作用下進(jìn)入到安裝有半導(dǎo)體制冷片的微小密閉空間，被制冷片冷端降溫，隨后，被降溫的空氣通過在人體均勻分布的管道傳遞到全身各處，與身體發(fā)生熱交換。熱交換后的空氣可以重新被風(fēng)扇抽取從而實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)。與此同時，制冷片熱端利用散熱器將熱量排放到外界環(huán)境中去，散熱器和制冷片并聯(lián)在同一電源上。其中，制冷片和散熱器處的具體布置如圖2。

2 設(shè)備選型

2.1 制冷片的選擇。孫曉陽指出100W的制冷量可以滿足人體的一般代謝活動需要，使人體溫度長時間可以維持在38攝氏度以下，因此這里設(shè)定制冷片的制冷量為100W。另外，設(shè)制冷系數(shù)ε=0.5 則輸入功率P=100/0.5=200W

綜上，查制冷片規(guī)格表選擇TEC1-12715型號的制冷片，其具體參數(shù)如下表。

2.2 電源的選擇。根據(jù)空調(diào)服的使用特性，選擇電池時應(yīng)該著重于考慮電池的重量、尺寸、壽命、容量等因素。由于交流電不方便攜帶，這里不予考慮。而鋰電池具有重量輕、綠色環(huán)保、一般能夠充放電300-500次，壽命比較長等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以最終采用鋰電池。結(jié)合上邊提到的制冷片最大工作電壓和最大工作電流，選擇使用12V鋰電池供電。

2.3 散熱器的選擇。電源采用12V鋰電池，由于該設(shè)計中制冷片與散熱器并聯(lián)，所以也選擇12V電壓的散熱器；制冷片的規(guī)格為50×50×3.6mm3，為了使設(shè)備尺寸盡量小，選擇散熱器長寬規(guī)格也為50X50mm2，綜上，這里使用NMB品牌的散熱風(fēng)扇，型號為2004KL-04W-B59，其轉(zhuǎn)速是4500RPM（r/min），風(fēng)量32.4CFM。

2.4 除濕方法的選擇?？諝鉁囟鹊慕档捅厝粫?dǎo)致濕度的增加，為了防止服裝管道內(nèi)濕度太大影響人體舒適性，還需要在密閉空間中設(shè)置除濕系統(tǒng)?？紤]到成本問題及空間有限，這里采用最簡單的炭包除濕，利用竹炭的吸附性使服裝內(nèi)循環(huán)的空氣濕度適宜。

3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

選型發(fā)現(xiàn)，將半導(dǎo)體制冷用于空調(diào)服這一猜想是存在可行性的。這種空調(diào)服的優(yōu)點(diǎn)很明顯：（1）整個系統(tǒng)使用半導(dǎo)體制冷，構(gòu)造非常簡單。鋰電池的生產(chǎn)和報廢均不會對環(huán)境造成污染，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；（2）該系統(tǒng)使用的用于熱量交換的介質(zhì)為空氣，不會像PCM空調(diào)服的制冷劑一樣可能會對人體健康產(chǎn)生不良影響；（3）成本比較低，整體重量較輕，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；（4）制冷裝置為半導(dǎo)體制冷片，運(yùn)行時無噪音的產(chǎn)生，抗沖擊能力比較強(qiáng)。

但是，在計算過程中也可以發(fā)現(xiàn)：（1）這種空調(diào)服制冷效率不高，一定程度上造成能源的浪費(fèi)；（2）為了將制冷片熱端的熱量散發(fā)到空氣中去我們安裝了散熱器，散熱風(fēng)扇暴露在衣服外表面，這對空調(diào)服的外觀會產(chǎn)生一定的影響，也因此勢必會限制它的使用群和將來的推廣普及；（3）另外，衣服中安裝管道、散熱器、制冷片這些設(shè)備，清洗的時候會比較麻煩，需要使用者熟練地拆卸和安裝。

如果不考慮成本問題，也可以另外增加一套輔助系統(tǒng)，通過溫度傳感器感知人體的實(shí)時溫度并將這個信號傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過增大或減小電流來增加或者減少制冷片的制冷量，從而使人體一直處于較為舒適的狀態(tài)。

4 結(jié)語

因此，該空調(diào)服具有可行性，改變電流方向也可以同時實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境制熱的功能，而如何提高它的使用效率、增強(qiáng)其美觀性和實(shí)用性會是該類型空調(diào)服未來應(yīng)該重點(diǎn)解決的問題，使其趨于智能化以及減少制造成本也是今后應(yīng)該著重探索的一個領(lǐng)域。

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