车肺——高温暴晒下的车内控温装置

张伊卓，张子辰，罗强，杨岳

（中南大学,湖南 长沙 4 1 0 0 0 6）

车肺
——高温暴晒下的车内控温装置

张伊卓，张子辰，罗强，杨岳

（中南大学,湖南 长沙 4 1 0 0 0 6）

基于半导体制冷片的P e l t i e r效应，设计制造了夏天车内温度控制装置，意在改善夏天温度极高的车内部环境，为司机提供一个更为舒适的驾驶环境。

汽车温控；半导体制冷片；P e l t i e r效应；太阳能技术

1 研制背景及意义

夏天，处于太阳暴晒下的车辆内部环境无疑是乘车人最为头疼的问题之一，而近7 0℃的车内温度也不仅仅影响了乘车人的舒适感，更对生命健康造成了一定的威胁。

2 设计方案

2.1 基本方案

2.2 项目装置设计

2.2.1 空气综合处理装置

器材：风机，温度控制器，活性炭等空气净化材料，半导体制冷片×2，导冷片 ×2，散热片×2。

工作原理：温控开关实时监控车内温度，智能启动。由风机提供循环动力，利用半导体制冷模块对空气进行冷处理，加速车内空气循环，同时净化组块对循环空气进行净化处理，将车内因高温而产生的有毒气体，如甲醛等进行吸附。

2.2.2 太阳能电池供能装置

器材：光伏板、导线、蓄电池组、太阳能控制器。

工作原理：将汽车天窗原有的遮阳材料替换成光伏板收集太阳能，为了使其提供的电压电流与半导体制冷片相匹配，必须配备蓄电池和太阳能控制器，阳光照射下，光能立即转化为直流电，供给半导体制冷片，降低驾驶室内温度。当光照强度较大时，一部分电能直接供给半导体制冷片，另一部分由控制器向蓄电池输送并储存起来，当太阳能电池产电量比较低时，再释放给半导体制冷片。

2.2.3 内循环管道模块

器材：车载空调内循环管道工作原理：利用汽车空调的循环管道和鼓风机，当汽车车首和车尾的风门挡板打开时，即为外循环，当前后风门关闭时，形成封闭空间即为内循环。空气经过综合处理装置降温进入车辆内部，与内部热空气形成对流，再经内循环管道进行循环处理里，达到降低车内温度的效果。

3 理论设计计算

3.1 车内实际情况探索

车内空间体积：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3；

夏季汽车暴晒下车内温度可达7 0℃，外界温度4 0℃；

已知：太阳照射到地面的功率大概是1 0 0 0～2 0 0 0 W，车窗玻璃的面积大约为1.7 m2，车玻璃光的透射率为8 5%，透射光的热载体约为4 0%。车顶的材质为碳素钢，反射率为9 1.3%，导热系数为5 8.3 3 W/（m·K）（6 5℃时），车顶面积大约为2.1 5 m2。

计算：太阳光对车的加热功率为φ：φ=φ1+φ2

透过车玻璃对车加热功率：φ1=1 0 0 0×1.7×0.8 5×0.4=5 7 8 W

透过车顶对车的加热功率：φ2=1 0 0 0×2.1 5×0.8 5×(1-0.9 1 3)=1 5 9 W则：φ=φ1+φ2=5 7 8+1 5 9=7 3 7 W

换气风扇换气时间：誉达Y D-8 0 2 0直流汽车电子扇风量1 m³/mi n。 则4.5 m3的高温空气排出，需要时间t=4.5 mi n。

3.2 制冷片制冷工作

车内散热量计算如下：

已知：强制对流条件下气体的对流传热表面传热系数h/［W/（m·K）］≈2 0-1 0 0

铝制肋片的导热系数（2 0℃时）为2 3 6 W/（m·K）；车内气温T=6 0℃

大气压（p=1 0 1 k P a）下干空气（6 0℃时）ρ=1.0 6 0 k g/m3，C p=1.0 0 5 k J/（k g·K）

等截面直肋的散热效率nf：

对于矩形截面直肋：

假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量：φ=A h(t f-t m)

车内空间体积：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3

制冷片将4 0℃的车内温度降至3 5℃。

大气压（p=1 0 1 k P a）下干空气（6 0℃时）ρ=1.0 6 0 k g/m3，C p=1.0 0 5 k J/（k g·K）；车内空间体积：V≈2×1.5×1.5=4.5 m3；

车内气体总散热量：Q=cpm△t=1.0 0 5×1 03×1.0 6 0×4.5×(4 0-3 5）=2 3 9 6 9.2 5 J。

（2）制冷片工作时间计算

制冷片的制冷功率为P，采用n片制冷片：n p t=7 3 7t+2 3 9 6 9.2 5

选用T E C 1-2 6 3 1 5半导体制冷片，尺寸：5 0 mm×5 0 mm，取蓄电瓶2 4 V时，制冷功率2 0 0 W。当n=5时，代入上式，t=1.5 mi n。

4 实验分析

水箱温度测定实验。

实验环境：室内，恒温2 5℃；

实验器材：水箱，散热器，温度计，肋片，半导体，风扇。

图1 稳定温度5 4.5℃

5 创新点及应用前景

本文介绍了半导体制冷和太阳能驱动的半导体制冷系统，提出了太阳能半导体制冷技术在汽车的应用，起到使汽车在曝晒情况下的降温作用。总体来说，太阳能驱动的半导体制冷系统有以下优点：

（1）结构紧凑，体积小，安装方便；

图2 初始温度2 7℃

图3 模拟软件：f l u e n t

（2）不需要制冷剂，因此不会产生环境污染，符合环境友好型理念；

（3）制冷迅速、对车体动力无影响。

总而言之，太阳能半导体制冷在汽车上的应用符合当前绿色、环保、节能的主题。该技术具有相当可观的经济价值和社会价值，应用前景十分广泛。

[1]麻友良 .汽车空调技术[M].北京：机械工业出版社，2 0 0 9.

[2](美)施敏，李明逵.半导体器件物理与工艺（第三版）[M].杭州：苏州大学出版社，2 0 1 4.

U 2 7 0.3 8 3

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 2（下）-0 1 1 8-0 2