基于ZL：201822047139.8 的改型设计——新型石墨烯材料的应用

王焱锋，李建红

（1.太原理工大学 现代科技学院，山西 太原030024；2.山西泽清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030024）

1 车载光热水冷空调扇的专利设计

1.1 设计原因

针对现行车辆空调结构复杂，消耗燃料高达动力用燃料的15%，造价较高，设计了一款无需燃料、造价低廉的环保空调扇，一方面减轻了驱动力源负担；另一方面，充分利用可再生清洁能源取代了这部分燃料或电力能源，不仅可以节能减排，还可增加车辆的续行里程。

1.2 设计内容

车顶横向水平安置空调扇体与太阳能光热管，驱动风力扇在箱体上方，风力叶片、光热水冷部件位于空调扇体之内，出风口置于箱体下方，布局结构如图1 所示，箱体的实验室模型如图2 所示。

图1 空调扇体与太阳能光热管布局结构

图2 空调扇总成的实验室模型

2 光热部分的改型设计

2.1 改型理由

在制作实验模型的过程中，由于原先设计中光热部分所使用的热水器尺寸特殊，且加工成本昂贵，置于车顶时产生的阻力较大。因此，决定在原有设计的基础上保留水冷部分，对原有光热部分进行改进，取消原先采用太阳能热水器加热的方法，将其变为太阳能光伏板电热新型石墨烯可控温式设计。

2.2 改型后的结构

将石墨烯薄膜加热层放置于原水冷部分的水管下方，并将加热层开洞，这样有利于通风，如图3 所示。在车顶放置1 块太阳能光伏板用来提供加热时所需的电量，汽车内部安装温控器用来控制温度。

3 石墨烯用于本专利的设计与控制

众所周知，石墨烯是一种具有良好导电导热性的新型材料，且相对于太阳能热水器，其体积小、阻力小、温度控制方便、成本低、性价比高，节约了成本。同时，石墨烯材料重量轻、防水、防破坏、使用寿命长（40 年）、安全性高，所以，将原有设计改为新型石墨烯加热可控温式设计。

研究发现，石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高100 倍。在石墨烯样品微粒开始碎裂前，其每100 nm 的距离上可承受的最大压力达到了约2.9 μN。据科学家测算，这一结果相当于要施加55 N 的压力才能使1 μm 的石墨烯断裂。如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（约100 nm）石墨烯，则需要施加约20 000 N 的压力才能将其扯断。

3.1 新型石墨烯加热温控式设计

石墨烯温控电路如图4 所示。

图4 中，蓄电池将太阳能光伏板所产生的电能储存起来，然后为石墨烯加热层供电，温控器通过传感器调节温度以及工作模式。石墨烯加热层通电后产生大量热量，使水管加热变暖。汽车行驶时风扇转动，使得箱内小风扇随之转动，从而吹出热风。

3.2 设计参数

设计所需石墨烯加热片长度仅为200 mm，其功率约22 W，电压为DC24 V。用1 块500 mm×400 mm、30 W 的太阳能光伏板可满足要求。如果设备1 d 需要工作16 h，则可以将太阳能所发出的电量储存在1 块20 Ah、24 V 的蓄电池中，当太阳落山时蓄电池作为电源为石墨烯加热层供电。

温控器的温度设定范围为5～35 ℃，40 ℃为过热保护温度，输出方式是继电器DC24 V，电源电压为DC24 V，额定电流为1 A，额定功率为24 W。温度传感器放入箱体内壁探测温度。

在夏天时，由于水冷部分的冰块温度难以控制，冰块温度较低，吹出的冷风过于寒冷，易导致人体不适。如果探头感受到温度过低时，则可以适当通电加热石墨烯加热层，提升综合水冷的温度，制造舒适的冷风。

在冬天时，天气较为寒冷，停车时可以将温控器调为防冻模式，从而防止箱体内部结冰；汽车行驶时，通过温控器就可以正常使用制热功能。

温控器有3 种模式，分别为舒适、防冻、节能。

4 结论

由于石墨烯加热层为辐射性散热，很大程度上减小了停车对温度的影响；采用新型石墨烯材料设计后，具有体积小、造价低、温度控制方便、性价比高的特点，这在很大程度上降低了成本。同时，石墨烯材料重量轻、防水、防破坏、使用寿命长、安全性高、加热温度可控、舒适度高。

将石墨烯应用到本设计中，不仅成本大大降低，科技含量提高，可以肯定的是，未来新材料的大面积应用必将为人们的现代化生活带来惊人的飞跃。