基于ZL：201822047139.8 的改型設計
——新型石墨烯材料的應用

王焱鋒，李建紅

（1.太原理工大學 現代科技學院，山西 太原030024；2.山西澤清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030024）

1 車載光熱水冷空調扇的專利設計

1.1 設計原因

針對現行車輛空調結構復雜，消耗燃料高達動力用燃料的15%，造價較高，設計了一款無需燃料、造價低廉的環保空調扇，一方面減輕了驅動力源負擔；另一方面，充分利用可再生清潔能源取代了這部分燃料或電力能源，不僅可以節能減排，還可增加車輛的續行里程。

1.2 設計內容

車頂橫向水平安置空調扇體與太陽能光熱管，驅動風力扇在箱體上方，風力葉片、光熱水冷部件位于空調扇體之內，出風口置于箱體下方，布局結構如圖1 所示，箱體的實驗室模型如圖2 所示。

圖1 空調扇體與太陽能光熱管布局結構

圖2 空調扇總成的實驗室模型

2 光熱部分的改型設計

2.1 改型理由

在制作實驗模型的過程中，由于原先設計中光熱部分所使用的熱水器尺寸特殊，且加工成本昂貴，置于車頂時產生的阻力較大。因此，決定在原有設計的基礎上保留水冷部分，對原有光熱部分進行改進，取消原先采用太陽能熱水器加熱的方法，將其變為太陽能光伏板電熱新型石墨烯可控溫式設計。

2.2 改型后的結構

將石墨烯薄膜加熱層放置于原水冷部分的水管下方，并將加熱層開洞，這樣有利于通風，如圖3 所示。在車頂放置1 塊太陽能光伏板用來提供加熱時所需的電量，汽車內部安裝溫控器用來控制溫度。

3 石墨烯用于本專利的設計與控制

眾所周知，石墨烯是一種具有良好導電導熱性的新型材料，且相對于太陽能熱水器，其體積小、阻力小、溫度控制方便、成本低、性價比高，節約了成本。同時，石墨烯材料重量輕、防水、防破壞、使用壽命長（40 年）、安全性高，所以，將原有設計改為新型石墨烯加熱可控溫式設計。

研究發現，石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高100 倍。在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，其每100 nm 的距離上可承受的最大壓力達到了約2.9 μN。據科學家測算，這一結果相當于要施加55 N 的壓力才能使1 μm 的石墨烯斷裂。如果物理學家能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的（約100 nm）石墨烯，則需要施加約20 000 N 的壓力才能將其扯斷。

3.1 新型石墨烯加熱溫控式設計

石墨烯溫控電路如圖4 所示。

圖4 中，蓄電池將太陽能光伏板所產生的電能儲存起來，然后為石墨烯加熱層供電，溫控器通過傳感器調節溫度以及工作模式。石墨烯加熱層通電后產生大量熱量，使水管加熱變暖。汽車行駛時風扇轉動，使得箱內小風扇隨之轉動，從而吹出熱風。

3.2 設計參數

設計所需石墨烯加熱片長度僅為200 mm，其功率約22 W，電壓為DC24 V。用1 塊500 mm×400 mm、30 W 的太陽能光伏板可滿足要求。如果設備1 d 需要工作16 h，則可以將太陽能所發出的電量儲存在1 塊20 Ah、24 V 的蓄電池中，當太陽落山時蓄電池作為電源為石墨烯加熱層供電。

溫控器的溫度設定范圍為5～35 ℃，40 ℃為過熱保護溫度，輸出方式是繼電器DC24 V，電源電壓為DC24 V，額定電流為1 A，額定功率為24 W。溫度傳感器放入箱體內壁探測溫度。

在夏天時，由于水冷部分的冰塊溫度難以控制，冰塊溫度較低，吹出的冷風過于寒冷，易導致人體不適。如果探頭感受到溫度過低時，則可以適當通電加熱石墨烯加熱層，提升綜合水冷的溫度，制造舒適的冷風。

在冬天時，天氣較為寒冷，停車時可以將溫控器調為防凍模式，從而防止箱體內部結冰；汽車行駛時，通過溫控器就可以正常使用制熱功能。

溫控器有3 種模式，分別為舒適、防凍、節能。

4 結論

由于石墨烯加熱層為輻射性散熱，很大程度上減小了停車對溫度的影響；采用新型石墨烯材料設計后，具有體積小、造價低、溫度控制方便、性價比高的特點，這在很大程度上降低了成本。同時，石墨烯材料重量輕、防水、防破壞、使用壽命長、安全性高、加熱溫度可控、舒適度高。

將石墨烯應用到本設計中，不僅成本大大降低，科技含量提高，可以肯定的是，未來新材料的大面積應用必將為人們的現代化生活帶來驚人的飛躍。