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1．1 設計的目的和意義
在夏季等氣溫較高時，汽車油箱中的汽油、柴油容易蒸發(fā)，產生的油蒸汽進入大氣中，造成嚴重的環(huán)境污染和能源浪費。汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器是利用太陽能給蓄電池充電，由蓄電池驅動裝有半導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，汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器易形成產品，有經濟價值潛力和廣泛的實用性。
1．2 國內外概況
1.2.1 太陽能制冷技術發(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。能源作為國民經濟的基礎，與社會經濟的發(fā)展和人民的生活質量息息相關。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大多仍沿用常規(guī)化石燃料能源裝置的指標，如效率、功率、單位功率成本、環(huán)保指標等。但這些指標對新能源動力裝置（包括太陽能）大不一樣，應予以不同評價。對于太陽能制冷裝置，首先要優(yōu)化的應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和成熟的真空管集熱器產品結合，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)回熱式吸附制冰機和空調機很快可以投入實際應用階段[2]。
溴化鋰吸收式制冷機目前在國內外都有較大的發(fā)展，特別是在我國發(fā)展和應用的前景非常廣闊。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)生器中產生的冷劑蒸汽在冷凝器中凝結成冷劑水，經節(jié)流后進入蒸發(fā)器，在低壓下吸熱蒸發(fā)，產生冷效應；另一部分是從發(fā)生器出來的濃度較高的溴化鋰溶液，經節(jié)流和冷卻，在吸收器中吸收產生冷效應后的冷劑蒸汽，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壓力升高。解吸出來的制冷劑進入冷凝器，經冷卻介質（水或空氣）冷卻后凝結為液態(tài)，進入蒸發(fā)儲液器。這樣，太陽能就轉化為代表制冷能力的吸附勢能儲備起來，實現化學吸收潛能的儲存[4]。
太陽能的開發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學利用等三種形式。光熱利用是將太陽能轉換為熱能存儲起來，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等，這些技術尤其在我國北方和西部應用較廣，成效顯著。以太陽能電池技術為核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應用領域[5]。
1.2.2 半導體制冷技術國內外概況
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)境無害的制冷技術已經成為全球制冷技術科學研究領域的一個重要課題。所以半導體制冷技術具有廣闊的發(fā)展前景。導體的熱電效應主要包括：塞貝克效應、帕爾貼效應、湯姆遜效應、焦耳效應和傅立葉效應。而半導體制冷技術是利用了帕爾貼效應。
帕爾貼效應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較微弱，而半導體材料的帕爾貼效應則強的多，所以在實際工程中采用半導體制冷[6]。
半導體制冷技術的特點：
（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）半導體制冷器參數不受空間方向的影響，即不受重力場影響，在航天航空領中有廣泛的應用。
（4）作用速度快，工作可靠，使用壽命長，易控制，調節(jié)方便，可通過調節(jié)工作電流大小來調節(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，要使熱電制冷的經濟性達到和機械壓縮式制冷一樣，必須使優(yōu)值系數z 達到13×10-3K-1以上。為此，世界各國的半導體制冷學者均將主要精力放在尋找新的半導體材料上，力圖通過提高新材料的熱電性能促進半導體制冷器的應用和發(fā)展[8]。
半導體制冷技術與傳統(tǒng)的制冷技術有著根本的區(qū)別，它既不用制冷劑，也不用機械設備和管路，只要給半導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；在電子技術方面，發(fā)熱半導體器件的冷卻、光電被增管的冷卻、紅外探測儀的冷卻等；在醫(yī)學上，利用半導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)損失的碳氫化合物（HC）。這部分燃油蒸發(fā)的HC占汽油車HC的15%~20%。據統(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，現代汽車上多數裝有燃油蒸發(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，關閉“截止閥”，同時開啟“脫附閥”關閉。此時油箱內的壓力按一定速率降低，隨后“脫附閥”關閉，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體油蒸汽冷凝器，汽油蒸汽直接泄露到大氣當中。沒有采取措施，浪費了汽油能源，給環(huán)境造成嚴重污染。
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，油箱應是密閉的。但在密閉的汽油箱中，當汽油輸出而油面降低時，箱內將產生一定的真空度，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。
當汽油箱內汽油減少，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，使汽油泵能正常供油。當汽油箱內的汽油蒸汽過多，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 汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器的未見報道
目前，國內外對汽油車蒸發(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、控制軟硬件及相關的管件組成。當由于傳熱及熱輻射的原因使油箱中燃料大量揮發(fā)并導致壓力升高時，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 半導體制冷的基本原理
半導體制冷技術的原理是利用半導體材料的溫差效應，當直流電通過由兩種不同的半導體材料串聯成的電偶時，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，當改變直流電極性時，又能達到制熱的效果，利用上述原理設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
圖1.4中，由X及Y兩種不同的金屬導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，導致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是半導體制冷的基本原理[13]。
1．5 本設計的工作及創(chuàng)新點
1.5.1 本設計的工作
（1）查閱相關資料，閱讀了關于太陽能、半導體制冷技術、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）設計太陽能半導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，記錄測試數據，分析測試結果證明本設計可應用于油箱油蒸汽的冷凝。
1.5.2 本設計的工創(chuàng)新點
將半導體油蒸汽冷凝器運用于解決燃油蒸汽是本設計的一個創(chuàng)新。
引言 ……………………………………………………………………………… 1
1.1 設計的目的和意義 ……………………………………………………………… 1
1.2 國內外概況 ……………………………………………………………………… 1
1.3 汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器的未見報道…………………………… 5
1.4 半導體制冷的基本原理 ………………………………………………………… 5
1.5 本設計的工作及創(chuàng)新點 ………………………………………………………… 6
2 太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器的安裝設計 ………………………………… 7
2.1 太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器安裝方案…………………………………… 7
2.2 半導體油箱油蒸汽冷凝器的安裝位置 ………………………………………… 7
2.3 汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器的工作原理 ………………………… 8
3 油蒸汽冷凝器的設計 …………………………………………………………… 9
3.1 油蒸汽冷凝器的總體結構設計 ………………………………………………… 9
3.2 油蒸汽冷凝器的零件結構設計 ……………………………………………… 10
4 溫度控制電路的設計 …………………………………………………………… 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 汽車太陽能半導體油箱油蒸汽冷凝器的拓展用 ……………………………… 23
結論 ………………………………………………………………………………… 24
致謝 ………………………………………………………………………………… 25
參考文獻 ……………………………………