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1．1 設(shè)計的目的和意義
在夏季等氣溫較高時，汽車油箱中的汽油、柴油容易蒸發(fā)，產(chǎn)生的油蒸汽進入大氣中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費。汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器是利用太陽能給蓄電池充電，由蓄電池驅(qū)動裝有半導(dǎo)體制冷芯片的油箱油蒸汽冷凝器，用于汽車油箱上汽油、柴油的油蒸汽冷凝，將油蒸汽冷凝成液態(tài)，流回油箱。
汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器安裝在油箱體上，將油蒸汽冷凝成液態(tài)流回油箱后，不僅可以減少油蒸汽進入大氣，減少對大氣造成的污染，還可以節(jié)省燃油。另外，汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器易形成產(chǎn)品，有經(jīng)濟價值潛力和廣泛的實用性。
1．2 國內(nèi)外概況
1.2.1 太陽能制冷技術(shù)發(fā)展概況
太陽能是新能源與可再生能源的重要組成部分，是綠色無污染的，具有取之不盡，用之不竭的特點。能源作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，與社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生活質(zhì)量息息相關(guān)。在各種可再生能源中，太陽能具有其它常規(guī)能源無法相比的優(yōu)越性。太陽能儲量巨大，太陽能在地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用，太陽能利用具有清潔性的特點，其開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染[1]。
太陽能的開發(fā)利用有著巨大的市場前景，不僅帶來很好的社會效益、環(huán)境效益，而且還有明顯的經(jīng)濟價值。太陽能至少具有兩方面的優(yōu)勢：一是輸入的能量代價為零，二是排放的污染為零，這也是今天特別關(guān)注的原因。目前，對新能源、可再生能源動力裝置的主要評價指標(biāo)大多仍沿用常規(guī)化石燃料能源裝置的指標(biāo)，如效率、功率、單位功率成本、環(huán)保指標(biāo)等。但這些指標(biāo)對新能源動力裝置（包括太陽能）大不一樣，應(yīng)予以不同評價。對于太陽能制冷裝置，首先要優(yōu)化的應(yīng)該是降低單位實用制冷功率的成本，而不是提高其制冷效率。
太陽能制冷技術(shù)發(fā)展比較快的方面是太陽能供冷供暖綜合系統(tǒng)，利用溴化鋰吸收式制冷技術(shù)和成熟的真空管集熱器產(chǎn)品結(jié)合，比較成功地供冷供暖，建立了不少示范工程項目。太陽能固體吸附式制冷技術(shù)的研究近一二十年來以有新的突破，創(chuàng)造出較理想的實用產(chǎn)品——太陽能間隙式吸附冰箱，白天太陽能加熱的熱水供晚間使用，夜間制冰供白天使用。太陽能連續(xù)回?zé)崾轿街票鶛C和空調(diào)機很快可以投入實際應(yīng)用階段[2]。
溴化鋰吸收式制冷機目前在國內(nèi)外都有較大的發(fā)展，特別是在我國發(fā)展和應(yīng)用的前景非常廣闊。溴化鋰吸收式制冷機的工作過程包括兩個部分：一部分是在發(fā)生器中產(chǎn)生的冷劑蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成冷劑水，經(jīng)節(jié)流后進入蒸發(fā)器，在低壓下吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生冷效應(yīng)；另一部分是從發(fā)生器出來的濃度較高的溴化鋰溶液，經(jīng)節(jié)流和冷卻，在吸收器中吸收產(chǎn)生冷效應(yīng)后的冷劑蒸汽，使制冷過程不斷繼續(xù)。溴化鋰溶液吸收冷劑蒸汽后，濃度降低，由溶液泵輸送，重新進入發(fā)生器[3]。
太陽能吸附式制冷系統(tǒng)是利用物質(zhì)的物態(tài)變化來達到制冷的目的。其制冷系統(tǒng)主要由太陽能吸附集熱器、冷凝器、蒸發(fā)儲液器、風(fēng)機盤管、冷媒水泵等部分組成，如圖1.1。
圖1.1 太陽能吸附式制冷系統(tǒng)
白天太陽輻射充足時，太陽能吸附集熱器吸收太陽輻射能后，吸附床溫度升高，使冷卻劑從吸附劑中解吸，太陽能吸附集熱器內(nèi)壓力升高。解吸出來的制冷劑進入冷凝器，經(jīng)冷卻介質(zhì)（水或空氣）冷卻后凝結(jié)為液態(tài)，進入蒸發(fā)儲液器。這樣，太陽能就轉(zhuǎn)化為代表制冷能力的吸附勢能儲備起來，實現(xiàn)化學(xué)吸收潛能的儲存[4]。
太陽能的開發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等三種形式。光熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能存儲起來，其中太陽能熱水器是光熱利用最成功的領(lǐng)域，還有太陽房、太陽灶、太陽能溫室、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能土壤消毒殺菌技術(shù)等，這些技術(shù)尤其在我國北方和西部應(yīng)用較廣，成效顯著。以太陽能電池技術(shù)為核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。
1.2.2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)國內(nèi)外概況
在致力于保護環(huán)境的今天，研制開發(fā)一種性能優(yōu)越，對環(huán)境無害的制冷技術(shù)已經(jīng)成為全球制冷技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個重要課題。所以半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。導(dǎo)體的熱電效應(yīng)主要包括：塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)是利用了帕爾貼效應(yīng)。
帕爾貼效應(yīng)其機理主要是電荷載體在不同的材料中處于不同的能量級，在外電場的作用下，電荷載體從高能級的材料向低能級的材料運動時，便會釋放出多余的能量。反之，電荷載體從低能級的材料向高能級的材料運動時，需從外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以熱的形式放出或吸收。金屬材料的帕爾貼效應(yīng)較微弱，而半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)則強的多，所以在實際工程中采用半導(dǎo)體制冷[6]。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點：
（1）無運動部件，因而工作時無噪聲，無磨損、壽命長，可靠性高
（2）不使用制冷劑，故無泄漏，對環(huán)境無污染。
（3）半導(dǎo)體制冷器參數(shù)不受空間方向的影響，即不受重力場影響，在航天航空領(lǐng)中有廣泛的應(yīng)用。
（4）作用速度快，工作可靠，使用壽命長，易控制，調(diào)節(jié)方便，可通過調(diào)節(jié)工作電流大小來調(diào)節(jié)制冷能力。也可通過切換電流的方向來改變其制冷或供暖的工作狀態(tài)。
（5）尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊制冷環(huán)境[7]。
目前，熱電制冷和機械制冷之間的差距很大，要使熱電制冷的經(jīng)濟性達到和機械壓縮式制冷一樣，必須使優(yōu)值系數(shù)z 達到13×10-3K-1以上。為此，世界各國的半導(dǎo)體制冷學(xué)者均將主要精力放在尋找新的半導(dǎo)體材料上，力圖通過提高新材料的熱電性能促進半導(dǎo)體制冷器的應(yīng)用和發(fā)展[8]。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)有著根本的區(qū)別，它既不用制冷劑，也不用機械設(shè)備和管路，只要給半導(dǎo)體制冷器通上直流電，它的冷端就會迅速降溫，降溫速度快并且容易控制，無噪音和污染，體積小，解決了許多特殊場合下的制冷問題，并能實現(xiàn)對溫度的精確控制。例如：在化工方面，運動粘度測試儀的恒溫浴槽、凝固點測試儀等；在電子技術(shù)方面，發(fā)熱半導(dǎo)體器件的冷卻、光電被增管的冷卻、紅外探測儀的冷卻等；在醫(yī)學(xué)上，利用半導(dǎo)體制冷器研制成功了冷凍切片機、冷凍治療器、生化儀等；還有精密露點儀、精密恒溫器等都是采用半導(dǎo)體制冷器制冷的[9]。
1.2.3 目前油蒸汽排放控制系統(tǒng)采取的措施
汽車向大氣的排放污染物包括排氣管排放物、曲軸箱排放物和蒸發(fā)污染物。其中蒸發(fā)污染物是指車輛的燃料系統(tǒng)由于溫度變化而蒸發(fā)損失的碳?xì)浠衔铮℉C）。這部分燃油蒸發(fā)的HC占汽油車HC的15%~20%。據(jù)統(tǒng)計，每年每千輛汽油車油箱蒸發(fā)的汽油約為11400kg 。若不加處理，這些釋放到大氣中的HC除本身具有毒性外，還可與NOx在一定條件下形成具有強氧化性的光化學(xué)煙霧，對人的健康和動、植物的生長造成很大的危害[10]。
為了滿足蒸發(fā)排放法規(guī)的要求，現(xiàn)代汽車上多數(shù)裝有燃油蒸發(fā)的電子控制系統(tǒng)。其主要元件是1個活性碳罐和一個脫附電磁閥，活性碳罐收集與儲存燃油蒸汽，使之不逃逸到環(huán)境中去。當(dāng)汽車發(fā)動機正常運行時，電控單元ECU控脫附付電磁閥開啟，將被吸附的燃油蒸汽從罐中抽出，吸入進氣管后進入燃燒室內(nèi)燒掉，以防止未燃烴HC的蒸發(fā)排放。
圖1.2是一種有OBD-Ⅱ蒸發(fā)控制的系統(tǒng)配置。該系統(tǒng)在一定條件下，關(guān)閉“截止閥”，同時開啟“脫附閥”關(guān)閉。此時油箱內(nèi)的壓力按一定速率降低，隨后“脫附閥”關(guān)閉，同時“截止閥”開啟，油箱壓力又按一定速率升高。按此機理利用油箱內(nèi)裝的壓力傳感器信號來判斷是否有泄露[11]。
圖1.2 蒸發(fā)控制的系統(tǒng)簡圖
1.2.4 目前汽車用油箱
目前，汽車上的油箱示意如圖1.3。汽車油箱上沒有汽車太陽能半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器，汽油蒸汽直接泄露到大氣當(dāng)中。沒有采取措施，浪費了汽油能源，給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
目前的汽油箱蓋上一般安裝有空氣閥和蒸汽閥。為了防止汽油因汽車振蕩而濺出和防止汽油蒸汽的泄露，油箱應(yīng)是密閉的。但在密閉的汽油箱中，當(dāng)汽油輸出而油面降低時，箱內(nèi)將產(chǎn)生一定的真空度，真空度過大時汽油將不能被汽油泵吸出而影響發(fā)動機的正常工作；另一方面，在外界溫度高的情況下，汽油蒸汽過多，將使箱內(nèi)壓力過大。這兩種情況都要求油箱能在必要時與大氣相通，裝有空氣閥和蒸汽閥的油箱蓋可以解決此問題。
當(dāng)汽油箱內(nèi)汽油減少，壓力降低到0.098MP以下時，空氣閥被大氣壓開，空氣便進入汽油箱內(nèi)，使汽油泵能正常供油。當(dāng)汽油箱內(nèi)的汽油蒸汽過多，其壓力大于0.11MP時，蒸汽閥被頂開，汽油蒸汽泄到大氣中，以保持油箱內(nèi)的壓正常[12]。
圖1.3 目前汽車上的油箱
1．3 汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的未見報道
目前，國內(nèi)外對汽油車蒸發(fā)排放的控制幾乎全部采用以活性炭為吸附介質(zhì)的蒸發(fā)污染控制系統(tǒng)，主要由活性碳罐、控制軟硬件及相關(guān)的管件組成。當(dāng)由于傳熱及熱輻射的原因使油箱中燃料大量揮發(fā)并導(dǎo)致壓力升高時，這些蒸發(fā)物將通過油箱通氣管進入活性碳罐，被活性碳吸附而儲存在碳罐中；在合適的時機，控制系統(tǒng)將利用進氣管的真空，讓潔凈的新鮮空氣通流碳罐，攜帶汽油蒸汽進入發(fā)動機氣缸中燃燒。
很多汽車制造商想盡辦法從各方面來減少汽油的浪費，如用碳罐將油蒸汽排放物吸附利用等，但在汽油箱處將太陽能、半導(dǎo)體和油箱冷凝器綜合運用來解決油箱油蒸汽的仍未見到。
1．4 半導(dǎo)體制冷的基本原理
半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理是利用半導(dǎo)體材料的溫差效應(yīng)，當(dāng)直流電通過由兩種不同的半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，如果在熱端安裝散熱裝置，吸收端就能通過熱量輸運制成簡單方便的制冷器，當(dāng)改變直流電極性時，又能達到制熱的效果，利用上述原理設(shè)計的溫差電制冷技器可以作為冷、熱源制成具有冷藏、熱藏、降溫、恒溫、升溫等功能的冷熱藏器。如圖1.4所示：
圖1.4 帕爾貼效應(yīng)
圖1.4中，由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是半導(dǎo)體制冷的基本原理[13]。
1．5 本設(shè)計的工作及創(chuàng)新點
1.5.1 本設(shè)計的工作
（1）查閱相關(guān)資料，閱讀了關(guān)于太陽能、半導(dǎo)體制冷技術(shù)、溫度控制電路等方面的大量書籍。提出了油蒸汽冷凝器的三種安裝方案：油蒸汽冷凝器安裝在油箱體上、半導(dǎo)體制冷芯片安裝在油箱頸部、油箱外部循環(huán)制冷方式。
（2）運用AutoCAD繪圖軟件繪制半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器的原理圖、示意圖、裝配圖和主要零件圖。
（3）設(shè)計太陽能半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器的電路，用Protel畫溫度控制電路的原理圖。選擇電子元器件，將熱敏電阻、繼電器和半導(dǎo)體制冷芯片等進行必要的測試并焊接電路。將焊接完整的電路進行溫度控制點的檢測，記錄測試數(shù)據(jù)，分析測試結(jié)果證明本設(shè)計可應(yīng)用于油箱油蒸汽的冷凝。
1.5.2 本設(shè)計的工創(chuàng)新點
將半導(dǎo)體油蒸汽冷凝器運用于解決燃油蒸汽是本設(shè)計的一個創(chuàng)新。
引言 ……………………………………………………………………………… 1
1.1 設(shè)計的目的和意義 ……………………………………………………………… 1
1.2 國內(nèi)外概況 ……………………………………………………………………… 1
1.3 汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的未見報道…………………………… 5
1.4 半導(dǎo)體制冷的基本原理 ………………………………………………………… 5
1.5 本設(shè)計的工作及創(chuàng)新點 ………………………………………………………… 6
2 太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的安裝設(shè)計 ………………………………… 7
2.1 太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器安裝方案…………………………………… 7
2.2 半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的安裝位置 ………………………………………… 7
2.3 汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的工作原理 ………………………… 8
3 油蒸汽冷凝器的設(shè)計 …………………………………………………………… 9
3.1 油蒸汽冷凝器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………………………………… 9
3.2 油蒸汽冷凝器的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ……………………………………………… 10
4 溫度控制電路的設(shè)計 …………………………………………………………… 12
4.1 電路圖及電路工作原理 ……………………………………………………… 12
4.2 電路元器件選擇 ……………………………………………………………… 13
4.3 溫度控制電路計算 …………………………………………………………… 17
4.4 溫度控制電路制作 …………………………………………………………… 20
5 汽車太陽能半導(dǎo)體油箱油蒸汽冷凝器的拓展用 ……………………………… 23
結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 24
致謝 ………………………………………………………………………………… 25
參考文獻 ……………………………………