半导体空调衣用毛细管进行载冷的实验研究

谢虎，王迎节

（江苏海事职业技术学院轮机工程学院，江苏 南京 211100）

中国除青藏高原和天山外，大部地区夏季温度都在20℃以上，南方许多地方在28℃以上，部分地区7月平均气温高达32℃，因此全国夏季普遍高温，南北气温差别不大。本文主要研究骑手在夏季长时间暴晒时的降温措施，美团研究院的数据显示仅美团2018年就有270万骑手，据估计2019年这一类人群在我国已达500万以上。本文设计了一款可供穿戴降温用的半导体空调衣装置，为了验证该空调衣的可行性，进行了一系列的实验研究。

1 实验装置介绍

1.1 半导体的制冷原理

如图1所示，把一个P型半导体元件材料和一个N型半导体元件材料联结成热电偶,接上直流电源后,在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的接头处,电流方向是N到P,温度下降并吸热,这就将形成冷端。而在下面的接头处,电流方向是P到N,温度上升并放热,这就将形成热端。半导体制冷片没有部件磨损和运行噪音，无需充注制冷剂，体积小，温度调节简单迅速。但是半导体制冷片的制冷效率低于1，且对热端的散热要求很高，没有及时充分的散热会造成到半导体片的烧毁。

图1 半导体空调的制冷原理

图2 本次实验半导体空调衣的结构图

1.2 半导体空调的设计思想

基于半导体制冷片的特点，将半导体制冷片应用于空调衣的场合比较合适，原因为空调衣的最大需求是轻便和易调节制冷量。在空调的设计过程中，主要考虑热端的散热问题和冷端的的冷量输出问题，基于上述问题，本实验的主要装置如图2所示。

当此元件工作时一面制冷一面制热，因此该制冷系统可以分为冷端系统和热端系统两个部分。空调衣工作时，其冷端系统运行原理是将半导体所产生的冷量通过某种介质传递到衣服内表面，降低人身体表温度后返回冷端重新冷却如此往复形成一个制冷循环，设备热端也是选择一种有效的散热方式将其热量传递到系统外，能够使此系统持续正常的运转。正如此以半导体制冷片为核心的两个小系统的循环形成空调衣整体的运行系统。

1.3 人体散热量计算

本文主要研究了身体散热方法和散热量。散热方法可分为两部分：显热量和潜热量。通过对流、传导和辐射传递的热量被称为显热量。皮肤表面通过汗水蒸此发和空气传送的湿气蒸发被称为潜热量。由于皮肤表面湿气的被动扩散而引起的蒸发被称为非感应蒸发。在环境温度高时，表面热交换不足以维持人体的热平衡时，皮肤活性蒸发的潜热称为感官蒸发。这是人体在热环境中散热的主要方法。此外，过度蒸腾导致生物体迅速脱水和脱盐，特别是在夏季高温环境下作业的工作人员。高度的太阳辐射和大量的体力劳动会使人体散热需求不断增加，当自身散热量低于机体所必须排出的热量时，机体就会散热紊乱，发生中暑的可能性急剧增加。根据吴清才的《人体散热稳定度影响因素的理论分析》文中的数据，人体在轻体力劳动下不同散热方式一天的散热量和所占比例如下表所示，共计12540KJ。

表1 不同散热方式和热损失率

本文设计的空调衣主要为外卖员和快递员等一些骑手设计，当这些骑手工作时，有大部分时间是骑着电动车的，在骑车的同时会产生一定的相对风速，而相对风速对人体散热也会产生较大的影响。根据王丽娟的《风速对人体散热特性影响的实验研究》结果表明迎面风速对人体对流散热影响较大。设想环境温度在33℃的情况下，当工作人员在骑行的过程中风速是大于0.7m/s的，所以在计算人体散热量时应当减去14.6W的对流散热。在选择半导体制冷片功率时还要考虑人体不可避免的自身散热量如：呼吸道水分蒸发散失的热量、呼气散失的热量、吸入气、食物传递的热量、排泄带走的热量等这些自身散热量大约占人体散热量的15.5%，一个人每天的这种散热量约为1943.7KJ。

W是人体各种散热方式散出的热量的总和，Q_1、Q_2、Q_3、Q_n分别是人体每种散热方式在一定时间内所散出的热量，单位是焦耳，简称J。

人体散热功率P根据公式:

公式中，W=12540-1943.7=10596.3KJ，人体机能平均散热功率P=122.64W，减掉由于本课题中骑行因素14.6W，综上所述根据本次计算结果所得选择半导体功率在108W左右。

1.4 实验装置的选择

基于上述计算结果，将某些不确定外界环境因素增加10%的冷量损失，再通过对市场不同功率产品价格的对比调查，根据半导体运行的特性，功率越小的半导体能量损失比例就越小。综上所述，本次实验选择两片相同规格的半导体制冷片其详情工作参数如下：

型号：TEC1-122706。

制冷功率：50-60W。

额定电压:12V。

工作电流：4-4.6A。

最大温差：67℃以上。

几何尺寸：40*40*3.8mm。

2 冷水导热式空调衣的实验分析

半导体热端散热很重要，如果过热，极容易烧毁半导体制冷片。所以本实验为了安全，均以管带式水冷散热为前提。从金属的导热性及延展性综合考虑，管路选用2mm和10mm的紫铜管，根据人体体格大小截取合适的长度，再在主管上钻取适当的孔利用钎焊将2mm毛细铜管焊接在10mm主管路上，焊接后的管路如下图3所示，长管为冷水进水管，两根较短主管为冷水回水管。

图3 毛细管进行载冷的3D模型图和实物图

接入12V电源，31℃和36℃两种环境温度情况下所测数据进行分析比较。

图4 不同环境温度下毛细管中冷冻水的温度对比

从上图可以看出，半导体冷端散热曲线在30℃环境和36℃环境下，温度变化相似，在3分钟后，冷量开始发挥作用，冷端出水温度平滑下降。在36℃高温环境下，开始运行3分钟之前，回水温度呈上升曲线，这是由于此时回水的热量主要来自于环境吸热，但半导体的冷量还未体现出来，在3分钟之后，回水温度与出水温度的变化开始相似，出水回水温差逐渐缩小。在环境温度为30℃情况下，冷端出水最高温差为7.4℃，冷端回水最高温差为7.5℃，出回水温差平均在5℃。在环境温度为36℃情况下，冷端出水最高温差为10.1℃，冷端回水最高温差为10℃，出回水温差平均在4℃。当环境温度越高时，冷端出水及回水温差越大，降温效果越明显。根据上图分析出在较低环境温度下空调衣工作时冷端系统运行较稳定，在环境温度较高情况下冷端出水温度略显波动，分析其原因可能是因为半导体制冷片热端散热不良或者管路连接口有折痕冷量导输送不流畅造成滞后现象。

3 结语

本次实验利用毛细铜管作为导冷管路明显提高了导冷效率，采用石墨烯散热贴在管路上分散了冷量传递路径，增大了衣服内表面制冷面积，达到降温效果的同时，也使冷量传递较为均匀，避免半导体的冷端直接接触身体带来的不舒适感。本次实验采用了4根毛细管与两根粗铜管的组合方式，未来也可以通过CFD的方式模拟得出更优化的水冷管道排布方式。