基于半导体制冷技术的空调座椅系统设计

邹浙湘，朱铭，梁景皓

（北京理工大学珠海学院 工业自动化学院，广东珠海519085）

在炎热的夏天，停在室外的汽车免不了会受到太阳的暴晒，车内空间相对狭小、封闭，这时车内的温度会达到很高，座椅能进行自动降温或加热，可减少驾驶疲劳驾驶情况的发生。设计一款汽车空调座椅与汽车空调系统相辅助，外加装置对车内环境不能造成污染，要求结构简单，便于安装与维修[1]。

1 空调座椅系统的总体分析与设计

该系统总体结构如图1所示，其核心采用半导体制冷/制热片进行制冷和制热，在汽车本身的空调系统的辅助下，将冷气和热气通过空气风道输送到座椅表面，达到座椅调温的目的。

图1 座椅总体结构图

文中所设计热源将采用热电效应[2]制热，即温差电制热，所用到的元器件为半导体制冷/制热片。冷源方面，由于座椅内部空间较小，限制了调温装置的体积，且考虑到汽车本身已有的空调系统，可将冷气导入到后排座位的后出风道，可以在该出风道上进行改装[3]，将冷气从座椅底部引入，再配合风机和半导体制冷/制热片的制冷端，对空气进行制冷，再对座椅进行降温。本文设计的调温装置内部结构如图2所示，该装置包括轴流式风扇[4]、气源门、半导体制热/制冷集成片、空气滤清器、温度传感器。

图2 调温装置内部结构图

图3 风道内部空气流通图

2 空调座椅调温工作过程分析

当需要座椅加热时，左右气源门向上关闭，空气通过风道进入风扇。下风扇通电后将空气吹入散热器，气流通过散热器将半导体集成片的温度带走，被加热的空气进入空气滤清器，之后热空气通过出风口的温度传感器，温度传感器探测气流温度是否为设定值，再通过反馈调整半导体集成片参与工作片数，最终将适宜的温度通过分流风道吹入座椅底部和靠背，对座椅坐垫和靠背进行加热。当检测到发动机工作温度正常，且汽车供暖系统开启，可由风道引入暖气，辅助加热装置进行座椅制热。

同理当需要座椅制冷时，左右气源门向下关闭，空气或冷气通过风道引入制冷装置。当检测到汽车空调系统[10]，打开发动机负荷不大时，风道将控制气源门引入冷气参与辅助制冷；否则引入自然空气。调温装置上风扇工作，将空气或冷气吹入半导体集成片的上风道，气流被制冷后进入空气滤清器，再通过出风口的温度传感器，温度传感器探测气流温度是否为设定值，通过反馈调整风速或半导体集成片工作电流大小，最终将适宜的温度通过分流风道吹入座椅底部和靠背，对座椅坐垫和靠背进行制冷。

以制冷为例，在后出风道前排座椅的中部位置分出两个风道至前排左右座位。在改装的风道内加入一个气源门，该气源门能控制冷气与外部自然气体的通断。当座椅需要自然通风或加热时，气源门关闭，吹入的气体为外部气体；当汽车空调系统启动，气源门打开时吹入的为冷气。

调温装置左侧与进气管通过进气接口相连，右侧接上出气接口，再接上漏斗形的接口将经过加热或制冷的气体引入座椅底部；为使冷气或热气能更有效作用于座椅靠背，在靠背中装入圆形出气口，出气口底部与调温装置出气接口相接，进入靠背的气体均匀地从各圆形出气口吹到座椅背部。

由于汽车车载电源一般为12 V直流电池，且风扇从座椅底部驱动风吹到座椅表面，期间风速有所损失，为保证较好的散热效率[11]，风扇需要有足够的风量和风压，考虑到座椅内部空间较小，且座椅整体为上下竖直形状，气体总体方向为从下至上，所以无需改变气流方向，因此选择的风扇为轴流式风扇。另外为保证车内噪音音量，风扇转速不宜过高，因此可选用风扇型号为GBF4015，经查其各参数如下：

转速：6 000RPM，风量：6.1CFM，风叶直径：32mm，重量：16 g。

已知风量为6.1CFM=10.37 m3/h，可求风速。

为了在制冷时能达到最好的制冷效果，需要对制冷工况时的热端进行散热。因此当调温器处于制冷工况时，热端下部的散热口将打开，散热风扇开始工作；考虑到散热时的热气会影响到座椅的制冷效果，在风扇出风口与调温装置之间加一块隔热板阻隔热气向座椅内部流动。

3 制冷效能分析

为保证该装置设计可行，夏天能对座椅进行有效散热，需要对制冷片型号进行确定，并得出该装置的制冷量，制冷量的大小直接反映了该调温装置对座椅制冷能力的强弱。因此，在选用制冷片型号时需要对该调温装置的冷负荷进行计算[14]。由于该设计装置只是针对单一座椅进行降温，因此只需考虑座椅在吸收了大量的太阳辐射热后升高的热量。

计算座椅热负荷时，可用传热方程式进行计算，该方程式为：

式中Φ——单位时间通过座椅的传热量，W；

F——传热面积，m2；

Δt——冷、热流体间的温差，℃；

K——传热系数，W/（m2·℃）。

该装置是以冷风吹过座椅表面，起始风速为3.58 m/s，主要为受迫对流的形式，可用风速和对流换热系数经验关系式进行计算[15]。该关系式为：

式中B——经验系数，风在直接接触区域附近可取B=18.3；

V——风速；

n——速度指数，一般取0.5～0.6。

将风速V代入式（2），可得传热系数为：

K=BVn=18.3×3.580.6≈39.34W/（m2·℃）

考虑到传热面积，由于要降温的只是座椅表面与人体接触部位，即靠背、臀部与大腿部分接触面积，通过查找相关资料并结合人体工程学分析，当座椅表面深度取430mm；座椅表面宽度取450mm；其靠背宽度取500mm时，该座椅能满足人在驾驶时的舒适度和安全性要求。因此传热面积可计算为椅面面积与靠背面积之和，计算如下：

夏天车内座椅表面温度取50℃，由计算可得为降到人体舒适温度范围内（本文取25℃）所要求的冷负荷为

由于车载电源一般电压为12 V，且为了防止电流过高，可选用多片制冷片并联工作的方式。因此选择制冷片型号为TEC1-12703T125，当热端温度为50℃时，最大制冷量为：

即所需制冷片数量为：

因此当半导体制冷集成片在制冷工作时热端散热良好的状况下，8片制冷片的制冷量可保证在夏天时人对车内座椅的制冷需求。

4 制热效能分析

冬季人感到舒适的温度范围是16～18℃，因此冬季时需要对车内座椅进行加热，以提高驾乘人员的乘坐舒适性。假设冬季车内环境温度为5℃，根据所选的制冷片型号计算出其最大制冷量为：

按制冷量的效率为60%计算，可得其最大制热量为：

要将座椅加热到人体的舒适温度范围16～18℃（设定为18℃），由式（4）计算出所需制热量为：

而所需制热片的数量为：

因此为了保证制冷工况和制热工况的效果能同时满足车内人员对座椅降温和加热的要求，半导体制冷/制热片需要16片，可组成4×4的集成片。且当车内本身空调系统参与该调温装置进行辅助制冷/制热时，还可降低集成片的工作能耗，更高效率地为座椅进行温度调节[16]。

5 结束语

针对不同季节人们对汽车座椅表面温度的要求不同的现象，本文设计了以热电效应为基础，采用半导体制冷/制热片和空气风道对汽车座椅表面温度进行调控的汽车空调座椅系统。经过一系列的分析表明，该调温装置工作时能够对座椅的表面温度进行调节，主要部位为靠背和坐垫表面的温度，当夏天座椅温度过高或冬天温度过低导致驾乘人员产生不舒适感时，该调温装置能在短时间内将座椅温度调整到人体的舒适度范围内，有助于车内人员在经过长时间坐车后也能保持最佳的身体状态。

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