新型熱電空調座椅系統設計研究

楊姣,戰磊，肖海濤，邢俏芳

(長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，吉林長春 130033)

0 引言

汽車座椅作為與人體接觸時間最長的車內部件，對人體熱舒適性有著極大的影響[1]。中國氣象網站數據顯示，我國北方低溫在-30 ℃以下，過于寒冷的溫度不僅嚴重降低了體感舒適性，還會帶來駕駛員動作僵硬、遲緩等嚴重安全隱患；而暴曬下車內織物溫度達50 ℃、皮革溫度更高達70 ℃，已臨近身體所能承受的極限溫度。因此，汽車座椅的加熱通風功能需求呈逐年上升趨勢，圖1為蓋世汽車網統計的2019年1月—2020年1月前排座椅具有加熱和通風功能的車型銷售占比。

圖1 2019.1—2020.1銷量TOP10車型前排座椅占比

國內對汽車座椅的溫度調節主要是通過坐墊和風扇來完成[2]，其思路和裝配順序一般為：風扇嵌入泡沫內部→芯部通風區域粘附3D網格棉進行風量傳導→加熱區域粘貼加熱墊 →蒙皮整體包覆，如圖2所示。基于此理念設計的座椅空調系統，內嵌風扇通風、降溫效果不明顯，電阻絲加熱墊負溫度系數熱敏電阻器(Negative Temperature Coefficient Thermistor,NTCT)模塊存在燒蝕風險，而且透氣性差，影響通風效果。采用通風和加熱墊兩個元件共同實現座椅的通風加熱功能，其設計復雜、裝配效率低、產品成本居高不下。此外，超過90% 具有加熱和通風功能的汽車座椅只在芯部具有通風加熱功能，其空調系統對人體乘坐的周邊環境溫度調節影響有限。

圖2 傳統空調座椅設計思路及裝配順序

目前，半導體熱電效應散熱裝置在車載冰箱、室內座椅等方面已有應用研究[3-4]，但在汽車座椅空調系統上研究很少。本文作者研究一種新型汽車座椅空調控溫系統，采用熱電空調替代原通風風扇及電阻絲加熱墊，實現座椅通風加熱功能的集成，從而避免加熱墊自燃燒蝕現象的發生。同時，除座椅芯部具備溫度調節功能外，靠背及坐墊側翼均設置出風口結構，提高座椅空調系統對人體周圍環境溫度的調節能力和乘員的舒適性。

1 產品設計

1.1 結構設計

設計思路主要是將熱電空調安裝于座椅骨架的風扇支架上，空調出風口與風量分流接口匹配安裝，通過通風風道將風量分別導向芯部及側翼出風口。靠背和座椅芯部3D網格棉將風量導通擴散、均勻作用于乘員。側翼出風口將風量直接引向乘員兩側。座椅靠背和坐墊的裝配關系分別如圖3所示。

圖3 汽車座椅空調系統爆炸圖

確定產品研究范圍，分別將靠背和座椅空調系統拆分為3個層次：系統、子系統和部件(圖4(a))，對應的功能也對應分為3個層次：系統功能、子系統功能和部件功能(圖4(b))。把與設計目標相關的部件定義在研究范圍內，與設計目標無關的部件定義為非研究范圍。通過分析，熱電空調和風道系統是座椅空調系統的核心要素，所以熱電空調與風道系統為此設計的主要研究范疇。

圖4 產品研究范圍

1.2 熱電空調設計

首先確定所選熱電空調的型號和設計參數。采用浙江漢恒熱電科技有限公司生產的半導體熱電空調，如圖5所示。熱電器件通電后，由于Peltier效應[5]，器件的兩面一面吸熱，一面放熱，風扇送出的氣流通過與器件表面接觸后，成為冷風或熱風，冷風或熱風導入座椅底座和靠背，從座椅表面透出，以達到制冷、制熱的效果。

圖5 半導體熱電空調示意

此半導體熱電空調能實現通風、加熱與制冷功能一體化，在升溫速率相當的基礎上，制熱效率熱電空調制熱效率(>1.4)遠高于電加熱制熱效率(<1.0)，比傳統空調節能省電，能耗降低30%以上，其主要產品參數如表1所示。

表1 半導體熱電風扇產品參數

汽車座椅空調系統車企內部標準要求：(1)加熱5 min內，座椅表面升溫溫度差大于8 ℃；(2)降溫5 min內，座椅表面降溫溫度差大于6 ℃。故在座椅空調系統中，首先需要確定熱電風扇型號及參數，以滿足產品標準要求。

熱量與風道截面積、風速的關系為

Q=Pt=Q′×ρ×C×(T2-T1)×t=qv×ρ×C×(T2-T1)×t

(1)

式中：Q為熱量，J;P為功率,W;t為時間,s;Q′為風量,m3/h;q為風道截面積,m2;v為風速,m/s;ρ為空氣密度,kg/m3;C為空氣等壓比熱容,J/(kg·℃);T2-T1為溫度差, ℃。

座椅熱電風扇加熱功率選擇一般在60～160 W、制冷功率在10～120 W范圍內，可根據客戶需求制定調節。文中定義熱電風扇功率為130 W，制冷功率90 W，熱電風扇相應的風量為-11.4 m3/h(0.003 16 m3/s)，已知空氣密度ρ為1.3 kg/m3，空氣等壓比熱容C為1 009 J/kg·℃，由公式(1)可知：

綜上，所選加熱功率130 W，制冷功率90 W的熱電風扇可以滿足產品設計要求。

1.3 風道系統設計與布局

風道系統主要包括通風風道系統和側翼出風口，芯部通風風道由3D網格棉與座椅泡沫裝配形成的。由試制樣件測試的風道長度與升溫關系，如表2所示，隨著風道長度的增加，熱量散失逐漸增大。當加熱時長5 min，風道300 mm處的測量溫差已達到5.1 ℃，該溫度差值已可被人體感知，影響體感舒適性。故在滿足風扇布置空間的前提下，將風量分流接口居中，既可保證左右側翼出風口的溫度相近，又可減少風道過長而帶來的熱量損失。

表2 風道長度與熱量散失

芯部3D網格棉(圖6(a))作為芯部通風風道，應考慮其自身密閉性，對該部件整體包覆熱壓毛氈進行密封，僅在進風口及加熱通風區域留有風量傳遞出入口，從而避免風量通過泡沫孔隙散失，影響加熱通風效果。側翼風道需粘附軟泡等材料進行保溫，減少與環境溫度所產生的熱量交換，且泡沫B面與芯部風道交接位置，風道接插口要注意黏接及密封處理。此外，熱電風扇布置在密閉區域內，如帶背板靠背中，需考慮熱電風扇廢氣的導出，如背板開孔，連接廢氣排放風道等方法。

圖6 座椅靠背風道系統示意

側翼風量的出口(圖6(b))直接影響乘員對側翼導出空調效果的感知，不僅要遮蔽內部結構，避免影響座椅外觀質量，還要保證出風風量，實現對乘員周邊環境溫度的調節。出風口風量導向吹向人體手臂及大腿兩側，使人體更為直接感受空調效果。

對比傳統設計，新設計方案集成了加熱墊和通風系統，優化了產品設計，降低了裝配難度，經計算，成本約可減少8元/輛。

2 試驗驗證

車企行業標準要求，對座椅空調系統進行驗證分為升溫和降溫兩個過程：

(1)升溫。將座椅放置在-10 ℃的溫控箱8 h后，停止制冷，試驗人員進入溫控箱坐于整椅上，輸入試驗電壓，需至少布置8個傳感器檢測靠背及坐墊上的測量點溫度。試驗過程中開啟溫控箱門200 mm保持空氣流通。試驗進行 3 min 后座椅表面中心點升溫5 ℃以上，5 min后座椅表面中心點升溫8 ℃以上，且座椅加熱區域溫度均勻，測量點之間溫差不得大于10 ℃。

(2)降溫。通風系統工作5 min時，靠背和坐墊測量點的平均溫度應從50 ℃降低到不高于44 ℃。

如圖7所示，實驗座椅在靠背上選取4個測試點，坐墊上選取6個實驗點，放置在-10 ℃的溫控箱8 h后，停止制冷，開始在升溫的條件下測試溫度，測試升溫結果如表3所示。將座椅放置在50 ℃溫控箱8 h后，停止加熱，開啟通風系統進行工作。空調座椅降溫試驗結果如圖8所示。

圖7 座椅空調系統升溫降溫實驗

表3 空調座椅升溫試驗結果

圖8 空調座椅降溫試驗結果

由表3可以看出，在升溫過程中，3 min后無論座椅靠背還是坐墊的表面溫度均由-10 ℃左右上升到1 ℃以上，5 min后座椅表面中心點上升到6 ℃以上。在降溫過程中，通風系統工作300 s時，靠背平均溫度由51 ℃降低到40 ℃，坐墊平均溫度從50 ℃降低到38 ℃。升溫和降溫條件下均滿足實驗標準要求。

3 結論

(1)采用半導體熱電空調代替傳統的座椅加熱墊和通風風扇，集成了加熱和通風功能。升溫模式下設計功率130 W，降溫模式下設計功率90 W，風量11.4 m3/h，比傳統空調節能省電，能耗降低30%以上。

(2)優化風道系統設計，靠背及坐墊側翼均設置出風口結構，提高座椅空調系統對人體周圍環境溫度的調節能力和乘員的舒適性。

(3)新設計降低傳統空調座椅的制造及裝配難度，制造成本節約8元/輛。

(4)對新設計座椅進行實驗，升溫和降溫過程中均滿足實驗標準，滿足設計要求。