基于半導體制冷技術的駐車空調系統設計

陳建民 何濤 朱惠玉

摘 要：半導體制冷技術主要依托熱點材料來制冷，是一種清潔環保的駐車空調系統新選擇。本文結合半導體制冷技術的制冷原理及獨有特性，對基于半導體制冷技術的駐車空調系統的總體結構、制冷器、電路控制系統進行設計，并對熱量循環、半導體制冷片數量和功率進行核算。通過計算可知，在駐車空調系統中需要采用不少于105片的半導體制冷片，空調系統的功率約為7 555W。

關鍵詞：半導體制冷技術；汽車空調系統；設計

中圖分類號：U463.836 文獻標識碼：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

半導體制冷技術是一種利用熱電材料進行制冷的新型技術，自出現以來在高精度電子加工、醫療器械、精密樣品箱等高技術領域得到了廣泛應用。此前，由于光電效率、制冷性能等方面的制約，其在汽車空調領域的應用相對較少，但隨著半導體技術的不斷發展，半導體制冷技術在汽車空調領域的應用成為一種新的發展趨勢。因此，本文結合半導體制冷技術進行探討，并對駐車空調系統進行設計分析。

1 半導體制冷技術及駐車空調系統設計

1.1 半導體制冷原理

半導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及帕爾帖效應來實現制冷，其原理如圖1所示。

[冷端][陶瓷基板][金屬導流條][陶瓷基板][熱端][P][N]

圖1 半導體制冷的工作原理

半導體制冷的工作過程主要是：通過將熱電材料設計成一個合理的P-N結，在P-N結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，由此將電能轉化成熱能；元件中電子的轉移造成了溫度變化即為帕爾帖效應；連接點出現的溫度差則稱為塞貝克效應[1]；熱電元件因為與環境存在的溫度梯度而發生熱量交換則稱為湯姆孫效應；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則稱為傅里葉效應。通過合理地選擇熱電材料，采用半導體制冷的方式可以實現-50～80℃的溫度變化，是一種環保的制冷方式[2]。

1.2 半導體制冷的特點

相對于壓縮機制冷而言，半導體制冷的特性主要表現在如下四個方面。

①制冷系統的結構變化多。半導體制冷系統僅包含冷端、熱端、電源以及電路等。從整體來講，制冷系統的體積比較小、質量相對較輕、工作時沒有噪聲以及振動，因此制冷系統可以根據具體的應用情況做成不同的形狀。

②綠色環保。半導體制冷系統通過熱電材料的電子傳遞來實現制冷，不需要額外的制冷劑，因此對環境污染比較小，綠色環保。

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。半導體制冷系統的功率范圍比較廣，通常其制冷量可從毫瓦數量級變化到千瓦數量級[3]。

1.3 半導體制冷駐車空調系統的總體結構設計

傳統的汽車空調系統采用壓縮機的制冷方式，通常包含壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥等部件，組成部件多且結構復雜，在使用過程中經常會承受應力，而基于半導體制冷技術的空調系統結構相對較為簡單。

本文設計駐車空調系統的總體結構如圖2所示。整體來講，其主要由能源系統、制冷系統及散熱系統三大部分組成，其中空調系統運行所需要的電源采用12V的直流電；制冷及散熱系統中的循環水主要通過水泵來進行驅動；在工作過程中，散熱系統中的冷卻水在水泵的作用力下經過水排散熱器進行散熱，而制冷系統中的循環水則在水泵的作用力下流經與汽車空調出風口相連的水排散熱器。由于制冷系統中的循環水溫度要低于車廂中的空氣溫度，因此，整個空調系統運轉時，汽車空調出風口就會吹出冷風，進而可以降低車內的溫度[4]。

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

圖2 基于半導體制冷的駐車空調系統總體結構設計圖

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

1.4 半導體制冷駐車空調系統制冷器結構的設計

本文設計的空調系統的制冷器結構如圖3至圖5所示，整個制冷器主要由內置的散熱片、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。