基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的駐車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

陳建民 何濤 朱惠玉

摘 要：半導(dǎo)體制冷技術(shù)主要依托熱點(diǎn)材料來制冷，是一種清潔環(huán)保的駐車空調(diào)系統(tǒng)新選擇。本文結(jié)合半導(dǎo)體制冷技術(shù)的制冷原理及獨(dú)有特性，對基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的駐車空調(diào)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、制冷器、電路控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并對熱量循環(huán)、半導(dǎo)體制冷片數(shù)量和功率進(jìn)行核算。通過計算可知，在駐車空調(diào)系統(tǒng)中需要采用不少于105片的半導(dǎo)體制冷片，空調(diào)系統(tǒng)的功率約為7 555W。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷技術(shù)；汽車空調(diào)系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：U463.836 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0101-03

The design of the Car-carrying Air-conditioning System

Based on Semiconductor Refrigeration Technology

CHEN Jianmin1 HE Tao2 ZHU Huiyu3

（1. Henan Hongchang Electronics Co.， Ltd.， Xuchang Henan 461500；2.Henan Relations Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000；

3. Henan Province Productivity Promotion Center ，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Semiconductor refrigeration technology mainly relies on hot materials to refrigerate， is a clean and environmentally friendly parking air conditioning system new choice. Combining with the refrigeration principle and unique characteristics of semiconductor refrigeration technology， this paper designed the general structure， refrigeratory and circuit control system of parking air conditioning system based on semiconductor refrigeration technology， and calculated the quantity and power of heat cycle， semiconductor refrigeration sheet. According to the calculation， no less than 105 semiconductor chillers were needed in the parking air conditioning system， and the power of the air conditioning system was about 7 555 W.

Keywords： semiconductor refrigeration technology；automobile air conditioning system ；design

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是一種利用熱電材料進(jìn)行制冷的新型技術(shù)，自出現(xiàn)以來在高精度電子加工、醫(yī)療器械、精密樣品箱等高技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此前，由于光電效率、制冷性能等方面的制約，其在汽車空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在汽車空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用成為一種新的發(fā)展趨勢。因此，本文結(jié)合半導(dǎo)體制冷技術(shù)進(jìn)行探討，并對駐車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)及駐車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷也可以稱為熱電制冷，其核心是熱電材料，主要利用塞貝克效應(yīng)及帕爾帖效應(yīng)來實現(xiàn)制冷，其原理如圖1所示。

[冷端][陶瓷基板][金屬導(dǎo)流條][陶瓷基板][熱端][P][N]

圖1 半導(dǎo)體制冷的工作原理

半導(dǎo)體制冷的工作過程主要是：通過將熱電材料設(shè)計成一個合理的P-N結(jié)，在P-N結(jié)中通入直流電后熱電元件一端的溫度會下降，但另一端的溫度則會上升，由此將電能轉(zhuǎn)化成熱能；元件中電子的轉(zhuǎn)移造成了溫度變化即為帕爾帖效應(yīng)；連接點(diǎn)出現(xiàn)的溫度差則稱為塞貝克效應(yīng)[1]；熱電元件因為與環(huán)境存在的溫度梯度而發(fā)生熱量交換則稱為湯姆孫效應(yīng)；電流流通形成的焦耳熱在冷熱端形成的溫度差所形成的熱傳導(dǎo)則稱為傅里葉效應(yīng)。通過合理地選擇熱電材料，采用半導(dǎo)體制冷的方式可以實現(xiàn)-50～80℃的溫度變化，是一種環(huán)保的制冷方式[2]。

1.2 半導(dǎo)體制冷的特點(diǎn)

相對于壓縮機(jī)制冷而言，半導(dǎo)體制冷的特性主要表現(xiàn)在如下四個方面。

①制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化多。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)僅包含冷端、熱端、電源以及電路等。從整體來講，制冷系統(tǒng)的體積比較小、質(zhì)量相對較輕、工作時沒有噪聲以及振動，因此制冷系統(tǒng)可以根據(jù)具體的應(yīng)用情況做成不同的形狀。

②綠色環(huán)保。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)通過熱電材料的電子傳遞來實現(xiàn)制冷，不需要額外的制冷劑，因此對環(huán)境污染比較小，綠色環(huán)保。

③工作效率高。熱電材料的溫度變化及傳遞均較快，因此在制冷過程中速度較快，啟動時間非常短，在熱端及冷端正常情況下達(dá)到最佳的溫度差僅需要1min，工作效率非常高。

④工作范圍寬。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的功率范圍比較廣，通常其制冷量可從毫瓦數(shù)量級變化到千瓦數(shù)量級[3]。

1.3 半導(dǎo)體制冷駐車空調(diào)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)采用壓縮機(jī)的制冷方式，通常包含壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥等部件，組成部件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在使用過程中經(jīng)常會承受應(yīng)力，而基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對較為簡單。

本文設(shè)計駐車空調(diào)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。整體來講，其主要由能源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)三大部分組成，其中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電源采用12V的直流電；制冷及散熱系統(tǒng)中的循環(huán)水主要通過水泵來進(jìn)行驅(qū)動；在工作過程中，散熱系統(tǒng)中的冷卻水在水泵的作用力下經(jīng)過水排散熱器進(jìn)行散熱，而制冷系統(tǒng)中的循環(huán)水則在水泵的作用力下流經(jīng)與汽車空調(diào)出風(fēng)口相連的水排散熱器。由于制冷系統(tǒng)中的循環(huán)水溫度要低于車廂中的空氣溫度，因此，整個空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時，汽車空調(diào)出風(fēng)口就會吹出冷風(fēng)，進(jìn)而可以降低車內(nèi)的溫度[4]。

[1][2][8][9][4][5][6][7][3]

圖2 基于半導(dǎo)體制冷的駐車空調(diào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

注：1.補(bǔ)償水箱；2.水泵；3.制冷系統(tǒng)水排散熱器；4.散熱系統(tǒng)水排散熱器；5.制冷水箱；6.散熱水箱；7.半導(dǎo)體制冷片；8.“U型”定位板；9.“L型”定位板。

1.4 半導(dǎo)體制冷駐車空調(diào)系統(tǒng)制冷器結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)的制冷器結(jié)構(gòu)如圖3至圖5所示，整個制冷器主要由內(nèi)置的散熱片、散熱水箱、制冷水箱及定位板組成，其中制冷器均需要采用保溫材料。