將半導體制冷應用于空調服的可行性分析

楊帆　廉璐

摘 要：筆者簡述了將半導體制冷應用于空調服的原理，并且通過簡單計算選擇了所需設備的規格型號，繼而分析其可行性，提出該方案的優點和未來仍需要探索改進的地方。

關鍵詞：半導體制冷；空調服；散熱

空調服是一種新型服裝，它在高溫環境下能為人體提供所需的冷量，使其維持正常的生理活動，提高工作效率。目前，國內外科學家已經提出了多種類型的空調服廣泛應用在軍事領域，比如液體循環空調服、PCM空調服等，但是他們或多或少都存在著一些弊端。半導體制冷片使用的是一種新型的制冷方式，由于其體積小、節能、環保等優點，正在被應用到越來越多的領域。因此，文章嘗試提出了將半導體制冷技術應用在空調服的猜想。

1 工作原理

1.1 半導體制冷原理。半導體制冷應用的是帕爾貼效應，當兩個不同的導體材料連結成電偶對并通以直流電時，在他們的接點處會發生熱量的傳遞，使一端成為冷端，另一端成為熱端。其中換熱量的大小與電偶對的數量有關，是直流電流的函數。

1.2 該空調服工作原理。該空調服使用空氣作為熱量傳遞的介質，如圖1工作原理圖，接通電源后，高溫空氣在小型風扇的作用下進入到安裝有半導體制冷片的微小密閉空間，被制冷片冷端降溫，隨后，被降溫的空氣通過在人體均勻分布的管道傳遞到全身各處，與身體發生熱交換。熱交換后的空氣可以重新被風扇抽取從而實現一個循環。與此同時，制冷片熱端利用散熱器將熱量排放到外界環境中去，散熱器和制冷片并聯在同一電源上。其中，制冷片和散熱器處的具體布置如圖2。

2 設備選型

2.1 制冷片的選擇。孫曉陽指出100W的制冷量可以滿足人體的一般代謝活動需要，使人體溫度長時間可以維持在38攝氏度以下，因此這里設定制冷片的制冷量為100W。另外，設制冷系數ε=0.5 則輸入功率P=100/0.5=200W

綜上，查制冷片規格表選擇TEC1-12715型號的制冷片，其具體參數如下表。

2.2 電源的選擇。根據空調服的使用特性，選擇電池時應該著重于考慮電池的重量、尺寸、壽命、容量等因素。由于交流電不方便攜帶，這里不予考慮。而鋰電池具有重量輕、綠色環保、一般能夠充放電300-500次，壽命比較長等顯著優點，所以最終采用鋰電池。結合上邊提到的制冷片最大工作電壓和最大工作電流，選擇使用12V鋰電池供電。

2.3 散熱器的選擇。電源采用12V鋰電池，由于該設計中制冷片與散熱器并聯，所以也選擇12V電壓的散熱器；制冷片的規格為50×50×3.6mm3，為了使設備尺寸盡量小，選擇散熱器長寬規格也為50X50mm2，綜上，這里使用NMB品牌的散熱風扇，型號為2004KL-04W-B59，其轉速是4500RPM（r/min），風量32.4CFM。

2.4 除濕方法的選擇?？諝鉁囟鹊慕档捅厝粫е聺穸鹊脑黾?，為了防止服裝管道內濕度太大影響人體舒適性，還需要在密閉空間中設置除濕系統。考慮到成本問題及空間有限，這里采用最簡單的炭包除濕，利用竹炭的吸附性使服裝內循環的空氣濕度適宜。

3 優缺點分析

選型發現，將半導體制冷用于空調服這一猜想是存在可行性的。這種空調服的優點很明顯：（1）整個系統使用半導體制冷，構造非常簡單。鋰電池的生產和報廢均不會對環境造成污染，符合我國的可持續發展戰略；（2）該系統使用的用于熱量交換的介質為空氣，不會像PCM空調服的制冷劑一樣可能會對人體健康產生不良影響；（3）成本比較低，整體重量較輕，經濟實惠；（4）制冷裝置為半導體制冷片，運行時無噪音的產生，抗沖擊能力比較強。

但是，在計算過程中也可以發現：（1）這種空調服制冷效率不高，一定程度上造成能源的浪費；（2）為了將制冷片熱端的熱量散發到空氣中去我們安裝了散熱器，散熱風扇暴露在衣服外表面，這對空調服的外觀會產生一定的影響，也因此勢必會限制它的使用群和將來的推廣普及；（3）另外，衣服中安裝管道、散熱器、制冷片這些設備，清洗的時候會比較麻煩，需要使用者熟練地拆卸和安裝。

如果不考慮成本問題，也可以另外增加一套輔助系統，通過溫度傳感器感知人體的實時溫度并將這個信號傳遞給執行機構，通過增大或減小電流來增加或者減少制冷片的制冷量，從而使人體一直處于較為舒適的狀態。

4 結語

因此，該空調服具有可行性，改變電流方向也可以同時實現低溫環境制熱的功能，而如何提高它的使用效率、增強其美觀性和實用性會是該類型空調服未來應該重點解決的問題，使其趨于智能化以及減少制造成本也是今后應該著重探索的一個領域。

參考文獻

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