適用于車廂快速制冷優(yōu)化循環(huán)系統(tǒng)

摘 要

本文研究的半導(dǎo)體空調(diào)器（thermoelectric cooler）的主要結(jié)構(gòu)是帶構(gòu)架的外殼，它由五部分組成：頂部通風(fēng)腔，并作通風(fēng)機(jī)的支架用；底部通風(fēng)腔，并作通風(fēng)機(jī)的支架用，凝水也再次收集；兩個(gè)側(cè)向片及一個(gè)中央撐件；前后蓋板等。半導(dǎo)體空調(diào)器有兩個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)：熱電堆 熱端散熱通風(fēng)系統(tǒng)和冷端冷卻空氣后的室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。具體就是，從空調(diào)器出來的空氣進(jìn)入車廂頂部的風(fēng)道中，其中一部分直接進(jìn)入人員室，另一部分直接進(jìn)入電子設(shè)備中。最后兩部分空氣由車廂底部的回流管匯總，再回流到空調(diào)器中循環(huán)。為了與空調(diào)器的工作相配合，所構(gòu)想的電氣系統(tǒng)有下列四種作用：變換電源、溫度控制、高低溫保護(hù)和過電流保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體 制冷器結(jié)構(gòu) 散熱 空氣循環(huán)系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)

an、ap分別為n型電偶臂的溫差電動(dòng)勢(shì)，T為相應(yīng)接頭上的絕對(duì)溫度。ap是正值，an是負(fù)值。

1.2 關(guān)于半導(dǎo)體制冷器的制冷原理與熱端散熱

1.2.1 半導(dǎo)體材料的制冷原理

半導(dǎo)體采蓮內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多。P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料連接成的熱電對(duì)，通以直流電后制取冷量。

1.2.2 半導(dǎo)體制冷器的散熱方式

（1）空氣自然對(duì)流散熱。采用空氣自然對(duì)散熱的換熱系統(tǒng)，它需要一定形式的散熱片作為熱交換器。散熱器利用空氣的自然對(duì)流把熱量散到環(huán)境中，達(dá)到制冷的目的。

（2）強(qiáng)迫通風(fēng)散熱。強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱器計(jì)算必須經(jīng)過許多附加條件，如散熱片的結(jié)構(gòu)尺寸、空氣流速、表面粗糙度和黑度等，計(jì)算過程也比較復(fù)雜。

（3）環(huán)流散熱。這種方法實(shí)際上是空氣自然對(duì)流散熱與水冷散熱相結(jié)合，或者強(qiáng)迫通風(fēng)散熱與水冷散熱相結(jié)合。由于環(huán)流散熱系統(tǒng)的熱工計(jì)算比較繁瑣，所以通常都用試驗(yàn)方法確定散熱器的換熱面積。

2 關(guān)于車廂半導(dǎo)體制冷空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)

2.1 半導(dǎo)體制冷空調(diào)的構(gòu)成

半導(dǎo)體制冷空調(diào)器是一種熱端用空氣冷卻的空調(diào)器冷端冷卻后的空氣，經(jīng)過導(dǎo)管進(jìn)入人員室和電子室降溫，造成一個(gè)適宜的人工氣候。該空調(diào)器有下列兩個(gè)基本部分組成：一個(gè)裝有通風(fēng)機(jī)的外殼及熱電堆。外殼用來支撐通風(fēng)機(jī)、電源控制器及熱電堆等部件，并形成冷熱空氣的通道。外殼是四周覆有鋁板的箱子，頂部和底部設(shè)有通風(fēng)腔室，內(nèi)部各裝四臺(tái)通風(fēng)機(jī)，分別使空氣流過熱電堆的冷熱端。

每一個(gè)熱電堆是一個(gè)單獨(dú)的不帶通風(fēng)機(jī)的空調(diào)器，熱電堆中間是制冷元件，兩邊冷熱端熱交換器。熱交換器封閉在塑料殼內(nèi)，與熱電堆形成一體。熱端風(fēng)道與冷端風(fēng)道入口分別位于熱電堆兩端，而它們的出口分別位于熱電堆側(cè)向的相對(duì)兩面，風(fēng)道的入口與通風(fēng)機(jī)腔室的出口相對(duì)應(yīng)。電氣部分安裝在空調(diào)器中間的槽鐵上。空調(diào)器采用緊湊式通風(fēng)機(jī)供熱端散熱用，熱風(fēng)排出車外。另外的通風(fēng)機(jī)供冷端吸熱用，風(fēng)冷風(fēng)在車廂內(nèi)循環(huán)。

冷端通風(fēng)機(jī)通過外殼前蓋板下部的濾網(wǎng)吸入，經(jīng)風(fēng)機(jī)葉輪增壓后由通風(fēng)腔室分配給熱電堆的冷端風(fēng)道，經(jīng)吸熱片降溫后從前蓋板上部排出。循環(huán)風(fēng)量可以有通風(fēng)機(jī)入口處的風(fēng)門控制。空氣冷卻時(shí)有凝水產(chǎn)生，積聚在底部后通過謝玄旋塞放出。

2.2 半導(dǎo)體制冷空調(diào)的空氣循環(huán)系統(tǒng)

半導(dǎo)體空調(diào)器有兩個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)：熱電堆熱端散熱通風(fēng)系統(tǒng)和冷端冷卻空氣后的室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。

熱端空氣散熱系統(tǒng)用4臺(tái)通風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，風(fēng)機(jī)由直流電（與熱電堆用同一電源）驅(qū)動(dòng)，功率為265W，400r/min，風(fēng)壓35mm水柱，風(fēng)量19.8m^3/min。空氣經(jīng)過熱端散熱片時(shí)吸熱而溫度升高，然后排至車廂外。

冷端空氣冷卻系統(tǒng)采用4臺(tái)通風(fēng)機(jī)，形成閉式強(qiáng)制循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)用128V交流電驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)功率為80W，風(fēng)壓10mm水柱，也是軸流式通風(fēng)機(jī)，370r/min。冷卻后的空氣在室內(nèi)循環(huán)，使室內(nèi)保持所需的恒溫。

具體就是，從空調(diào)器出來的空氣進(jìn)入車廂頂部的風(fēng)道中，其中一部分直接進(jìn)入人員室，另一部分直接進(jìn)入電子設(shè)備中。最后兩部分空氣由車廂底部的回流管匯總，再回流到空調(diào)器中循環(huán)。

2.3 半導(dǎo)體制冷空調(diào)的電氣系統(tǒng)

為了與空調(diào)器的工作相配合，所示電氣系統(tǒng)必須起下列三種作用：變換電源、溫度控制和過電流保護(hù)。

2.3.1 電源選擇

本系統(tǒng)使用的是三相全波整流電源，輸入60Hz120V交流電，供熱電堆及直流電動(dòng)通風(fēng)機(jī)使用。

2.3.2 溫度控制

當(dāng)溫度變化超過2℃時(shí)，恒溫控制器的觸點(diǎn)啟動(dòng)一個(gè)繼電器，用以控制一組整流元件。溫度過低時(shí)使整流元件不工作，熱電堆停止制冷（或開始采暖），而溫度過高時(shí)，則熱電堆開始制冷（或停止采暖），利用間隙工作來控制空調(diào)溫度。

2.3.3 保護(hù)電路

（1）連個(gè)微型溫度繼電器分別黏在一個(gè)熱電堆的冷熱端熱交換器上，一個(gè)的定值溫度為7℃，另一個(gè)為52℃，低溫溫度繼電器的用途是當(dāng)溫度低于7℃時(shí)，立即中止系統(tǒng)中的供電而防止熱交換器上結(jié)冰，高溫溫度繼電器用途是防止熱端通風(fēng)機(jī)故障而造成熱電堆的過熱。

（2）安裝在交流電路中，作為工作電流超過85A時(shí)的短路保護(hù)器。

3 結(jié)論

此半導(dǎo)體制冷裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：不使用制冷劑，沒有運(yùn)動(dòng)部件，容量尺寸宜于小型化，使用直流電工作。由于不使用制冷劑，消除了制冷劑泄漏將對(duì)人體造成的毒害。在這些場(chǎng)合，采用半導(dǎo)體制冷是十分合適的。例如用在相對(duì)密閉的車廂中。由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，在熱電制冷器運(yùn)作時(shí)，無噪聲、無振動(dòng)、無磨損。因此工作可靠，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。

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作者簡(jiǎn)介

曾顧婷（1995-），女，上海市人。大學(xué)本科學(xué)歷。職稱：上海市科研項(xiàng)目，研究方向?yàn)殡姎忸悺?/p>

作者單位

上海市浦東新區(qū)電機(jī)學(xué)院 上海市 201805