新型熱電空調(diào)座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊姣,戰(zhàn)磊，肖海濤，邢俏芳

(長(zhǎng)春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林長(zhǎng)春 130033)

0 引言

汽車座椅作為與人體接觸時(shí)間最長(zhǎng)的車內(nèi)部件，對(duì)人體熱舒適性有著極大的影響[1]。中國(guó)氣象網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)北方低溫在-30 ℃以下，過于寒冷的溫度不僅嚴(yán)重降低了體感舒適性，還會(huì)帶來駕駛員動(dòng)作僵硬、遲緩等嚴(yán)重安全隱患；而暴曬下車內(nèi)織物溫度達(dá)50 ℃、皮革溫度更高達(dá)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(fēng)功能需求呈逐年上升趨勢(shì)，圖1為蓋世汽車網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的2019年1月—2020年1月前排座椅具有加熱和通風(fēng)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(guó)內(nèi)對(duì)汽車座椅的溫度調(diào)節(jié)主要是通過坐墊和風(fēng)扇來完成[2]，其思路和裝配順序一般為：風(fēng)扇嵌入泡沫內(nèi)部→芯部通風(fēng)區(qū)域粘附3D網(wǎng)格棉進(jìn)行風(fēng)量傳導(dǎo)→加熱區(qū)域粘貼加熱墊 →蒙皮整體包覆，如圖2所示。基于此理念設(shè)計(jì)的座椅空調(diào)系統(tǒng)，內(nèi)嵌風(fēng)扇通風(fēng)、降溫效果不明顯，電阻絲加熱墊負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器(Negative Temperature Coefficient Thermistor,NTCT)模塊存在燒蝕風(fēng)險(xiǎn)，而且透氣性差，影響通風(fēng)效果。采用通風(fēng)和加熱墊兩個(gè)元件共同實(shí)現(xiàn)座椅的通風(fēng)加熱功能，其設(shè)計(jì)復(fù)雜、裝配效率低、產(chǎn)品成本居高不下。此外，超過90% 具有加熱和通風(fēng)功能的汽車座椅只在芯部具有通風(fēng)加熱功能，其空調(diào)系統(tǒng)對(duì)人體乘坐的周邊環(huán)境溫度調(diào)節(jié)影響有限。

圖2 傳統(tǒng)空調(diào)座椅設(shè)計(jì)思路及裝配順序

目前，半導(dǎo)體熱電效應(yīng)散熱裝置在車載冰箱、室內(nèi)座椅等方面已有應(yīng)用研究[3-4]，但在汽車座椅空調(diào)系統(tǒng)上研究很少。本文作者研究一種新型汽車座椅空調(diào)控溫系統(tǒng)，采用熱電空調(diào)替代原通風(fēng)風(fēng)扇及電阻絲加熱墊，實(shí)現(xiàn)座椅通風(fēng)加熱功能的集成，從而避免加熱墊自燃燒蝕現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，除座椅芯部具備溫度調(diào)節(jié)功能外，靠背及坐墊側(cè)翼均設(shè)置出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，提高座椅空調(diào)系統(tǒng)對(duì)人體周圍環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)能力和乘員的舒適性。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路主要是將熱電空調(diào)安裝于座椅骨架的風(fēng)扇支架上，空調(diào)出風(fēng)口與風(fēng)量分流接口匹配安裝，通過通風(fēng)風(fēng)道將風(fēng)量分別導(dǎo)向芯部及側(cè)翼出風(fēng)口。靠背和座椅芯部3D網(wǎng)格棉將風(fēng)量導(dǎo)通擴(kuò)散、均勻作用于乘員。側(cè)翼出風(fēng)口將風(fēng)量直接引向乘員兩側(cè)。座椅靠背和坐墊的裝配關(guān)系分別如圖3所示。

圖3 汽車座椅空調(diào)系統(tǒng)爆炸圖

確定產(chǎn)品研究范圍，分別將靠背和座椅空調(diào)系統(tǒng)拆分為3個(gè)層次：系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件(圖4(a))，對(duì)應(yīng)的功能也對(duì)應(yīng)分為3個(gè)層次：系統(tǒng)功能、子系統(tǒng)功能和部件功能(圖4(b))。把與設(shè)計(jì)目標(biāo)相關(guān)的部件定義在研究范圍內(nèi)，與設(shè)計(jì)目標(biāo)無關(guān)的部件定義為非研究范圍。通過分析，熱電空調(diào)和風(fēng)道系統(tǒng)是座椅空調(diào)系統(tǒng)的核心要素，所以熱電空調(diào)與風(fēng)道系統(tǒng)為此設(shè)計(jì)的主要研究范疇。

圖4 產(chǎn)品研究范圍

1.2 熱電空調(diào)設(shè)計(jì)

首先確定所選熱電空調(diào)的型號(hào)和設(shè)計(jì)參數(shù)。采用浙江漢恒熱電科技有限公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體熱電空調(diào)，如圖5所示。熱電器件通電后，由于Peltier效應(yīng)[5]，器件的兩面一面吸熱，一面放熱，風(fēng)扇送出的氣流通過與器件表面接觸后，成為冷風(fēng)或熱風(fēng)，冷風(fēng)或熱風(fēng)導(dǎo)入座椅底座和靠背，從座椅表面透出，以達(dá)到制冷、制熱的效果。

圖5 半導(dǎo)體熱電空調(diào)示意

此半導(dǎo)體熱電空調(diào)能實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、加熱與制冷功能一體化，在升溫速率相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，制熱效率熱電空調(diào)制熱效率(>1.4)遠(yuǎn)高于電加熱制熱效率(<1.0)，比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能省電，能耗降低30%以上，其主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1 半導(dǎo)體熱電風(fēng)扇產(chǎn)品參數(shù)

汽車座椅空調(diào)系統(tǒng)車企內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求：(1)加熱5 min內(nèi)，座椅表面升溫溫度差大于8 ℃；(2)降溫5 min內(nèi)，座椅表面降溫溫度差大于6 ℃。故在座椅空調(diào)系統(tǒng)中，首先需要確定熱電風(fēng)扇型號(hào)及參數(shù)，以滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

熱量與風(fēng)道截面積、風(fēng)速的關(guān)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(shí)間,s;Q′為風(fēng)量,m3/h;q為風(fēng)道截面積,m2;v為風(fēng)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(fēng)扇加熱功率選擇一般在60～160 W、制冷功率在10～120 W范圍內(nèi)，可根據(jù)客戶需求制定調(diào)節(jié)。文中定義熱電風(fēng)扇功率為130 W，制冷功率90 W，熱電風(fēng)扇相應(yīng)的風(fēng)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(fēng)扇可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1.3 風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布局

風(fēng)道系統(tǒng)主要包括通風(fēng)風(fēng)道系統(tǒng)和側(cè)翼出風(fēng)口，芯部通風(fēng)風(fēng)道由3D網(wǎng)格棉與座椅泡沫裝配形成的。由試制樣件測(cè)試的風(fēng)道長(zhǎng)度與升溫關(guān)系，如表2所示，隨著風(fēng)道長(zhǎng)度的增加，熱量散失逐漸增大。當(dāng)加熱時(shí)長(zhǎng)5 min，風(fēng)道300 mm處的測(cè)量溫差已達(dá)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(fēng)扇布置空間的前提下，將風(fēng)量分流接口居中，既可保證左右側(cè)翼出風(fēng)口的溫度相近，又可減少風(fēng)道過長(zhǎng)而帶來的熱量損失。

表2 風(fēng)道長(zhǎng)度與熱量散失

芯部3D網(wǎng)格棉(圖6(a))作為芯部通風(fēng)風(fēng)道，應(yīng)考慮其自身密閉性，對(duì)該部件整體包覆熱壓毛氈進(jìn)行密封，僅在進(jìn)風(fēng)口及加熱通風(fēng)區(qū)域留有風(fēng)量傳遞出入口，從而避免風(fēng)量通過泡沫孔隙散失，影響加熱通風(fēng)效果。側(cè)翼風(fēng)道需粘附軟泡等材料進(jìn)行保溫，減少與環(huán)境溫度所產(chǎn)生的熱量交換，且泡沫B面與芯部風(fēng)道交接位置，風(fēng)道接插口要注意黏接及密封處理。此外，熱電風(fēng)扇布置在密閉區(qū)域內(nèi)，如帶背板靠背中，需考慮熱電風(fēng)扇廢氣的導(dǎo)出，如背板開孔，連接廢氣排放風(fēng)道等方法。

圖6 座椅靠背風(fēng)道系統(tǒng)示意

側(cè)翼風(fēng)量的出口(圖6(b))直接影響乘員對(duì)側(cè)翼導(dǎo)出空調(diào)效果的感知，不僅要遮蔽內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免影響座椅外觀質(zhì)量，還要保證出風(fēng)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘員周邊環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。出風(fēng)口風(fēng)量導(dǎo)向吹向人體手臂及大腿兩側(cè)，使人體更為直接感受空調(diào)效果。

對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)方案集成了加熱墊和通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低了裝配難度，經(jīng)計(jì)算，成本約可減少8元/輛。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

車企行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)座椅空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分為升溫和降溫兩個(gè)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(yàn)人員進(jìn)入溫控箱坐于整椅上，輸入試驗(yàn)電壓，需至少布置8個(gè)傳感器檢測(cè)靠背及坐墊上的測(cè)量點(diǎn)溫度。試驗(yàn)過程中開啟溫控箱門200 mm保持空氣流通。試驗(yàn)進(jìn)行 3 min 后座椅表面中心點(diǎn)升溫5 ℃以上，5 min后座椅表面中心點(diǎn)升溫8 ℃以上，且座椅加熱區(qū)域溫度均勻，測(cè)量點(diǎn)之間溫差不得大于10 ℃。

(2)降溫。通風(fēng)系統(tǒng)工作5 min時(shí)，靠背和坐墊測(cè)量點(diǎn)的平均溫度應(yīng)從50 ℃降低到不高于44 ℃。

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)座椅在靠背上選取4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，坐墊上選取6個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，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(cè)試溫度，測(cè)試升溫結(jié)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(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行工作。空調(diào)座椅降溫試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7 座椅空調(diào)系統(tǒng)升溫降溫實(shí)驗(yàn)

表3 空調(diào)座椅升溫試驗(yàn)結(jié)果

圖8 空調(diào)座椅降溫試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)上升到6 ℃以上。在降溫過程中，通風(fēng)系統(tǒng)工作300 s時(shí)，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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

(1)采用半導(dǎo)體熱電空調(diào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的座椅加熱墊和通風(fēng)風(fēng)扇，集成了加熱和通風(fēng)功能。升溫模式下設(shè)計(jì)功率130 W，降溫模式下設(shè)計(jì)功率90 W，風(fēng)量11.4 m3/h，比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能省電，能耗降低30%以上。

(2)優(yōu)化風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，靠背及坐墊側(cè)翼均設(shè)置出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，提高座椅空調(diào)系統(tǒng)對(duì)人體周圍環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)能力和乘員的舒適性。

(3)新設(shè)計(jì)降低傳統(tǒng)空調(diào)座椅的制造及裝配難度，制造成本節(jié)約8元/輛。

(4)對(duì)新設(shè)計(jì)座椅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，升溫和降溫過程中均滿足實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求。