基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的空調(diào)座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒浙湘，朱銘，梁景皓

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海519085）

在炎熱的夏天，停在室外的汽車免不了會(huì)受到太陽(yáng)的暴曬，車內(nèi)空間相對(duì)狹小、封閉，這時(shí)車內(nèi)的溫度會(huì)達(dá)到很高，座椅能進(jìn)行自動(dòng)降溫或加熱，可減少駕駛疲勞駕駛情況的發(fā)生。設(shè)計(jì)一款汽車空調(diào)座椅與汽車空調(diào)系統(tǒng)相輔助，外加裝置對(duì)車內(nèi)環(huán)境不能造成污染，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝與維修[1]。

1 空調(diào)座椅系統(tǒng)的總體分析與設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心采用半導(dǎo)體制冷/制熱片進(jìn)行制冷和制熱，在汽車本身的空調(diào)系統(tǒng)的輔助下，將冷氣和熱氣通過空氣風(fēng)道輸送到座椅表面，達(dá)到座椅調(diào)溫的目的。

圖1 座椅總體結(jié)構(gòu)圖

文中所設(shè)計(jì)熱源將采用熱電效應(yīng)[2]制熱，即溫差電制熱，所用到的元器件為半導(dǎo)體制冷/制熱片。冷源方面，由于座椅內(nèi)部空間較小，限制了調(diào)溫裝置的體積，且考慮到汽車本身已有的空調(diào)系統(tǒng)，可將冷氣導(dǎo)入到后排座位的后出風(fēng)道，可以在該出風(fēng)道上進(jìn)行改裝[3]，將冷氣從座椅底部引入，再配合風(fēng)機(jī)和半導(dǎo)體制冷/制熱片的制冷端，對(duì)空氣進(jìn)行制冷，再對(duì)座椅進(jìn)行降溫。本文設(shè)計(jì)的調(diào)溫裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置包括軸流式風(fēng)扇[4]、氣源門、半導(dǎo)體制熱/制冷集成片、空氣濾清器、溫度傳感器。

圖2 調(diào)溫裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 風(fēng)道內(nèi)部空氣流通圖

2 空調(diào)座椅調(diào)溫工作過程分析

當(dāng)需要座椅加熱時(shí)，左右氣源門向上關(guān)閉，空氣通過風(fēng)道進(jìn)入風(fēng)扇。下風(fēng)扇通電后將空氣吹入散熱器，氣流通過散熱器將半導(dǎo)體集成片的溫度帶走，被加熱的空氣進(jìn)入空氣濾清器，之后熱空氣通過出風(fēng)口的溫度傳感器，溫度傳感器探測(cè)氣流溫度是否為設(shè)定值，再通過反饋調(diào)整半導(dǎo)體集成片參與工作片數(shù)，最終將適宜的溫度通過分流風(fēng)道吹入座椅底部和靠背，對(duì)座椅坐墊和靠背進(jìn)行加熱。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度正常，且汽車供暖系統(tǒng)開啟，可由風(fēng)道引入暖氣，輔助加熱裝置進(jìn)行座椅制熱。

同理當(dāng)需要座椅制冷時(shí)，左右氣源門向下關(guān)閉，空氣或冷氣通過風(fēng)道引入制冷裝置。當(dāng)檢測(cè)到汽車空調(diào)系統(tǒng)[10]，打開發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不大時(shí)，風(fēng)道將控制氣源門引入冷氣參與輔助制冷；否則引入自然空氣。調(diào)溫裝置上風(fēng)扇工作，將空氣或冷氣吹入半導(dǎo)體集成片的上風(fēng)道，氣流被制冷后進(jìn)入空氣濾清器，再通過出風(fēng)口的溫度傳感器，溫度傳感器探測(cè)氣流溫度是否為設(shè)定值，通過反饋調(diào)整風(fēng)速或半導(dǎo)體集成片工作電流大小，最終將適宜的溫度通過分流風(fēng)道吹入座椅底部和靠背，對(duì)座椅坐墊和靠背進(jìn)行制冷。

以制冷為例，在后出風(fēng)道前排座椅的中部位置分出兩個(gè)風(fēng)道至前排左右座位。在改裝的風(fēng)道內(nèi)加入一個(gè)氣源門，該氣源門能控制冷氣與外部自然氣體的通斷。當(dāng)座椅需要自然通風(fēng)或加熱時(shí)，氣源門關(guān)閉，吹入的氣體為外部氣體；當(dāng)汽車空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)，氣源門打開時(shí)吹入的為冷氣。

調(diào)溫裝置左側(cè)與進(jìn)氣管通過進(jìn)氣接口相連，右側(cè)接上出氣接口，再接上漏斗形的接口將經(jīng)過加熱或制冷的氣體引入座椅底部；為使冷氣或熱氣能更有效作用于座椅靠背，在靠背中裝入圓形出氣口，出氣口底部與調(diào)溫裝置出氣接口相接，進(jìn)入靠背的氣體均勻地從各圓形出氣口吹到座椅背部。

由于汽車車載電源一般為12 V直流電池，且風(fēng)扇從座椅底部驅(qū)動(dòng)風(fēng)吹到座椅表面，期間風(fēng)速有所損失，為保證較好的散熱效率[11]，風(fēng)扇需要有足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓，考慮到座椅內(nèi)部空間較小，且座椅整體為上下豎直形狀，氣體總體方向?yàn)閺南轮辽?，所以無(wú)需改變氣流方向，因此選擇的風(fēng)扇為軸流式風(fēng)扇。另外為保證車內(nèi)噪音音量，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不宜過高，因此可選用風(fēng)扇型號(hào)為GBF4015，經(jīng)查其各參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)速：6 000RPM，風(fēng)量：6.1CFM，風(fēng)葉直徑：32mm，重量：16 g。

已知風(fēng)量為6.1CFM=10.37 m3/h，可求風(fēng)速。

為了在制冷時(shí)能達(dá)到最好的制冷效果，需要對(duì)制冷工況時(shí)的熱端進(jìn)行散熱。因此當(dāng)調(diào)溫器處于制冷工況時(shí)，熱端下部的散熱口將打開，散熱風(fēng)扇開始工作；考慮到散熱時(shí)的熱氣會(huì)影響到座椅的制冷效果，在風(fēng)扇出風(fēng)口與調(diào)溫裝置之間加一塊隔熱板阻隔熱氣向座椅內(nèi)部流動(dòng)。

3 制冷效能分析

為保證該裝置設(shè)計(jì)可行，夏天能對(duì)座椅進(jìn)行有效散熱，需要對(duì)制冷片型號(hào)進(jìn)行確定，并得出該裝置的制冷量，制冷量的大小直接反映了該調(diào)溫裝置對(duì)座椅制冷能力的強(qiáng)弱。因此，在選用制冷片型號(hào)時(shí)需要對(duì)該調(diào)溫裝置的冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算[14]。由于該設(shè)計(jì)裝置只是針對(duì)單一座椅進(jìn)行降溫，因此只需考慮座椅在吸收了大量的太陽(yáng)輻射熱后升高的熱量。

計(jì)算座椅熱負(fù)荷時(shí)，可用傳熱方程式進(jìn)行計(jì)算，該方程式為：

式中Φ——單位時(shí)間通過座椅的傳熱量，W；

F——傳熱面積，m2；

Δt——冷、熱流體間的溫差，℃；

K——傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

該裝置是以冷風(fēng)吹過座椅表面，起始風(fēng)速為3.58 m/s，主要為受迫對(duì)流的形式，可用風(fēng)速和對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算[15]。該關(guān)系式為：

式中B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，風(fēng)在直接接觸區(qū)域附近可取B=18.3；

V——風(fēng)速；

n——速度指數(shù)，一般取0.5～0.6。

將風(fēng)速V代入式（2），可得傳熱系數(shù)為：

K=BVn=18.3×3.580.6≈39.34W/（m2·℃）

考慮到傳熱面積，由于要降溫的只是座椅表面與人體接觸部位，即靠背、臀部與大腿部分接觸面積，通過查找相關(guān)資料并結(jié)合人體工程學(xué)分析，當(dāng)座椅表面深度取430mm；座椅表面寬度取450mm；其靠背寬度取500mm時(shí)，該座椅能滿足人在駕駛時(shí)的舒適度和安全性要求。因此傳熱面積可計(jì)算為椅面面積與靠背面積之和，計(jì)算如下：

夏天車內(nèi)座椅表面溫度取50℃，由計(jì)算可得為降到人體舒適溫度范圍內(nèi)（本文取25℃）所要求的冷負(fù)荷為

由于車載電源一般電壓為12 V，且為了防止電流過高，可選用多片制冷片并聯(lián)工作的方式。因此選擇制冷片型號(hào)為TEC1-12703T125，當(dāng)熱端溫度為50℃時(shí)，最大制冷量為：

即所需制冷片數(shù)量為：

因此當(dāng)半導(dǎo)體制冷集成片在制冷工作時(shí)熱端散熱良好的狀況下，8片制冷片的制冷量可保證在夏天時(shí)人對(duì)車內(nèi)座椅的制冷需求。

4 制熱效能分析

冬季人感到舒適的溫度范圍是16～18℃，因此冬季時(shí)需要對(duì)車內(nèi)座椅進(jìn)行加熱，以提高駕乘人員的乘坐舒適性。假設(shè)冬季車內(nèi)環(huán)境溫度為5℃，根據(jù)所選的制冷片型號(hào)計(jì)算出其最大制冷量為：

按制冷量的效率為60%計(jì)算，可得其最大制熱量為：

要將座椅加熱到人體的舒適溫度范圍16～18℃（設(shè)定為18℃），由式（4）計(jì)算出所需制熱量為：

而所需制熱片的數(shù)量為：

因此為了保證制冷工況和制熱工況的效果能同時(shí)滿足車內(nèi)人員對(duì)座椅降溫和加熱的要求，半導(dǎo)體制冷/制熱片需要16片，可組成4×4的集成片。且當(dāng)車內(nèi)本身空調(diào)系統(tǒng)參與該調(diào)溫裝置進(jìn)行輔助制冷/制熱時(shí)，還可降低集成片的工作能耗，更高效率地為座椅進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)[16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)不同季節(jié)人們對(duì)汽車座椅表面溫度的要求不同的現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)，采用半導(dǎo)體制冷/制熱片和空氣風(fēng)道對(duì)汽車座椅表面溫度進(jìn)行調(diào)控的汽車空調(diào)座椅系統(tǒng)。經(jīng)過一系列的分析表明，該調(diào)溫裝置工作時(shí)能夠?qū)ψ蔚谋砻鏈囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)，主要部位為靠背和坐墊表面的溫度，當(dāng)夏天座椅溫度過高或冬天溫度過低導(dǎo)致駕乘人員產(chǎn)生不舒適感時(shí)，該調(diào)溫裝置能在短時(shí)間內(nèi)將座椅溫度調(diào)整到人體的舒適度范圍內(nèi)，有助于車內(nèi)人員在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間坐車后也能保持最佳的身體狀態(tài)。

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