半導(dǎo)體空調(diào)衣用毛細(xì)管進(jìn)行載冷的實(shí)驗(yàn)研究

謝虎，王迎節(jié)

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

中國(guó)除青藏高原和天山外，大部地區(qū)夏季溫度都在20℃以上，南方許多地方在28℃以上，部分地區(qū)7月平均氣溫高達(dá)32℃，因此全國(guó)夏季普遍高溫，南北氣溫差別不大。本文主要研究騎手在夏季長(zhǎng)時(shí)間暴曬時(shí)的降溫措施，美團(tuán)研究院的數(shù)據(jù)顯示僅美團(tuán)2018年就有270萬(wàn)騎手，據(jù)估計(jì)2019年這一類人群在我國(guó)已達(dá)500萬(wàn)以上。本文設(shè)計(jì)了一款可供穿戴降溫用的半導(dǎo)體空調(diào)衣裝置，為了驗(yàn)證該空調(diào)衣的可行性，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

1.1 半導(dǎo)體的制冷原理

如圖1所示，把一個(gè)P型半導(dǎo)體元件材料和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件材料聯(lián)結(jié)成熱電偶,接上直流電源后,在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的接頭處,電流方向是N到P,溫度下降并吸熱,這就將形成冷端。而在下面的接頭處,電流方向是P到N,溫度上升并放熱,這就將形成熱端。半導(dǎo)體制冷片沒(méi)有部件磨損和運(yùn)行噪音，無(wú)需充注制冷劑，體積小，溫度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單迅速。但是半導(dǎo)體制冷片的制冷效率低于1，且對(duì)熱端的散熱要求很高，沒(méi)有及時(shí)充分的散熱會(huì)造成到半導(dǎo)體片的燒毀。

圖1 半導(dǎo)體空調(diào)的制冷原理

圖2 本次實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體空調(diào)衣的結(jié)構(gòu)圖

1.2 半導(dǎo)體空調(diào)的設(shè)計(jì)思想

基于半導(dǎo)體制冷片的特點(diǎn)，將半導(dǎo)體制冷片應(yīng)用于空調(diào)衣的場(chǎng)合比較合適，原因?yàn)榭照{(diào)衣的最大需求是輕便和易調(diào)節(jié)制冷量。在空調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮熱端的散熱問(wèn)題和冷端的的冷量輸出問(wèn)題，基于上述問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)的主要裝置如圖2所示。

當(dāng)此元件工作時(shí)一面制冷一面制熱，因此該制冷系統(tǒng)可以分為冷端系統(tǒng)和熱端系統(tǒng)兩個(gè)部分?？照{(diào)衣工作時(shí)，其冷端系統(tǒng)運(yùn)行原理是將半導(dǎo)體所產(chǎn)生的冷量通過(guò)某種介質(zhì)傳遞到衣服內(nèi)表面，降低人身體表溫度后返回冷端重新冷卻如此往復(fù)形成一個(gè)制冷循環(huán)，設(shè)備熱端也是選擇一種有效的散熱方式將其熱量傳遞到系統(tǒng)外，能夠使此系統(tǒng)持續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。正如此以半導(dǎo)體制冷片為核心的兩個(gè)小系統(tǒng)的循環(huán)形成空調(diào)衣整體的運(yùn)行系統(tǒng)。

1.3 人體散熱量計(jì)算

本文主要研究了身體散熱方法和散熱量。散熱方法可分為兩部分：顯熱量和潛熱量。通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射傳遞的熱量被稱為顯熱量。皮膚表面通過(guò)汗水蒸此發(fā)和空氣傳送的濕氣蒸發(fā)被稱為潛熱量。由于皮膚表面濕氣的被動(dòng)擴(kuò)散而引起的蒸發(fā)被稱為非感應(yīng)蒸發(fā)。在環(huán)境溫度高時(shí)，表面熱交換不足以維持人體的熱平衡時(shí)，皮膚活性蒸發(fā)的潛熱稱為感官蒸發(fā)。這是人體在熱環(huán)境中散熱的主要方法。此外，過(guò)度蒸騰導(dǎo)致生物體迅速脫水和脫鹽，特別是在夏季高溫環(huán)境下作業(yè)的工作人員。高度的太陽(yáng)輻射和大量的體力勞動(dòng)會(huì)使人體散熱需求不斷增加，當(dāng)自身散熱量低于機(jī)體所必須排出的熱量時(shí)，機(jī)體就會(huì)散熱紊亂，發(fā)生中暑的可能性急劇增加。根據(jù)吳清才的《人體散熱穩(wěn)定度影響因素的理論分析》文中的數(shù)據(jù)，人體在輕體力勞動(dòng)下不同散熱方式一天的散熱量和所占比例如下表所示，共計(jì)12540KJ。

表1 不同散熱方式和熱損失率

本文設(shè)計(jì)的空調(diào)衣主要為外賣員和快遞員等一些騎手設(shè)計(jì)，當(dāng)這些騎手工作時(shí)，有大部分時(shí)間是騎著電動(dòng)車的，在騎車的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)風(fēng)速，而相對(duì)風(fēng)速對(duì)人體散熱也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)王麗娟的《風(fēng)速對(duì)人體散熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究》結(jié)果表明迎面風(fēng)速對(duì)人體對(duì)流散熱影響較大。設(shè)想環(huán)境溫度在33℃的情況下，當(dāng)工作人員在騎行的過(guò)程中風(fēng)速是大于0.7m/s的，所以在計(jì)算人體散熱量時(shí)應(yīng)當(dāng)減去14.6W的對(duì)流散熱。在選擇半導(dǎo)體制冷片功率時(shí)還要考慮人體不可避免的自身散熱量如：呼吸道水分蒸發(fā)散失的熱量、呼氣散失的熱量、吸入氣、食物傳遞的熱量、排泄帶走的熱量等這些自身散熱量大約占人體散熱量的15.5%，一個(gè)人每天的這種散熱量約為1943.7KJ。

W是人體各種散熱方式散出的熱量的總和，Q_1、Q_2、Q_3、Q_n分別是人體每種散熱方式在一定時(shí)間內(nèi)所散出的熱量，單位是焦耳，簡(jiǎn)稱J。

人體散熱功率P根據(jù)公式:

公式中，W=12540-1943.7=10596.3KJ，人體機(jī)能平均散熱功率P=122.64W，減掉由于本課題中騎行因素14.6W，綜上所述根據(jù)本次計(jì)算結(jié)果所得選擇半導(dǎo)體功率在108W左右。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置的選擇

基于上述計(jì)算結(jié)果，將某些不確定外界環(huán)境因素增加10%的冷量損失，再通過(guò)對(duì)市場(chǎng)不同功率產(chǎn)品價(jià)格的對(duì)比調(diào)查，根據(jù)半導(dǎo)體運(yùn)行的特性，功率越小的半導(dǎo)體能量損失比例就越小。綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)選擇兩片相同規(guī)格的半導(dǎo)體制冷片其詳情工作參數(shù)如下：

型號(hào)：TEC1-122706。

制冷功率：50-60W。

額定電壓:12V。

工作電流：4-4.6A。

最大溫差：67℃以上。

幾何尺寸：40*40*3.8mm。

2 冷水導(dǎo)熱式空調(diào)衣的實(shí)驗(yàn)分析

半導(dǎo)體熱端散熱很重要，如果過(guò)熱，極容易燒毀半導(dǎo)體制冷片。所以本實(shí)驗(yàn)為了安全，均以管帶式水冷散熱為前提。從金屬的導(dǎo)熱性及延展性綜合考慮，管路選用2mm和10mm的紫銅管，根據(jù)人體體格大小截取合適的長(zhǎng)度，再在主管上鉆取適當(dāng)?shù)目桌免F焊將2mm毛細(xì)銅管焊接在10mm主管路上，焊接后的管路如下圖3所示，長(zhǎng)管為冷水進(jìn)水管，兩根較短主管為冷水回水管。

圖3 毛細(xì)管進(jìn)行載冷的3D模型圖和實(shí)物圖

接入12V電源，31℃和36℃兩種環(huán)境溫度情況下所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

圖4 不同環(huán)境溫度下毛細(xì)管中冷凍水的溫度對(duì)比

從上圖可以看出，半導(dǎo)體冷端散熱曲線在30℃環(huán)境和36℃環(huán)境下，溫度變化相似，在3分鐘后，冷量開始發(fā)揮作用，冷端出水溫度平滑下降。在36℃高溫環(huán)境下，開始運(yùn)行3分鐘之前，回水溫度呈上升曲線，這是由于此時(shí)回水的熱量主要來(lái)自于環(huán)境吸熱，但半導(dǎo)體的冷量還未體現(xiàn)出來(lái)，在3分鐘之后，回水溫度與出水溫度的變化開始相似，出水回水溫差逐漸縮小。在環(huán)境溫度為30℃情況下，冷端出水最高溫差為7.4℃，冷端回水最高溫差為7.5℃，出回水溫差平均在5℃。在環(huán)境溫度為36℃情況下，冷端出水最高溫差為10.1℃，冷端回水最高溫差為10℃，出回水溫差平均在4℃。當(dāng)環(huán)境溫度越高時(shí)，冷端出水及回水溫差越大，降溫效果越明顯。根據(jù)上圖分析出在較低環(huán)境溫度下空調(diào)衣工作時(shí)冷端系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，在環(huán)境溫度較高情況下冷端出水溫度略顯波動(dòng)，分析其原因可能是因?yàn)榘雽?dǎo)體制冷片熱端散熱不良或者管路連接口有折痕冷量導(dǎo)輸送不流暢造成滯后現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)利用毛細(xì)銅管作為導(dǎo)冷管路明顯提高了導(dǎo)冷效率，采用石墨烯散熱貼在管路上分散了冷量傳遞路徑，增大了衣服內(nèi)表面制冷面積，達(dá)到降溫效果的同時(shí)，也使冷量傳遞較為均勻，避免半導(dǎo)體的冷端直接接觸身體帶來(lái)的不舒適感。本次實(shí)驗(yàn)采用了4根毛細(xì)管與兩根粗銅管的組合方式，未來(lái)也可以通過(guò)CFD的方式模擬得出更優(yōu)化的水冷管道排布方式。