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標題: 帕爾帖的秘密解讀水杯架加熱/制冷原理 [打印本頁]

作者: yeaya 時間: 2012-5-25 11:48
標題: 帕爾帖的秘密解讀水杯架加熱/制冷原理
車內(nèi)那些琳瑯滿目的功能配置極大地滿足了我們的用車需求，有些功能的確必不可少，而有些功能則可為你的旅程錦上添花。具備加熱和制冷功能的杯架就是提升用車品質的一項功能，聽上去沒什么特別的，不就是加熱和制冷嘛，但這個看似不起眼的水杯固定裝置卻蘊藏了一個極具創(chuàng)意的原理。

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● 究竟哪個杯架帶有加熱/制冷功能

我第一次發(fā)現(xiàn)這個裝置是在奧迪Q5上，它位于前排兩個駕駛席之間，這兩個杯架與其它車型的布局相同，并列排在換擋桿區(qū)域的后方供前方駕駛員和副駕駛席位的乘客使用，在兩個杯架的后方有兩個帶有制冷和加熱標識的按鍵，很明顯，通過不同的按鍵，放置于杯架中的器皿可被制冷或加熱。

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『這是個普通的水杯架』

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『你分得清加熱/制冷功能在哪邊嗎？』

要承認的是，這種布局的確帶有一定的欺騙性，包括我在內(nèi)的很多人都對它產(chǎn)生了誤會，認為每一個按鍵對應一個杯架，也就是說駕駛員一側的杯架是帶有加熱功能，而副駕駛一側的杯架則具備制冷功能，曾經(jīng)有位朋友就說到了這個問題，但事實并非如此。

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『用鍍鉻飾板來劃分出明顯的區(qū)域看上去更清楚
內(nèi)部有鋁片包裹的才是具備冷熱功能的杯架』

實際上那兩個按鍵其實是用于同一個杯架的加熱和制冷功能的切換，而具備這個功能的杯架在其表面被一層鋁覆蓋（這是區(qū)別于普通杯架的典型特征），而表面充斥著塑料和橡膠材質的杯架則僅僅起到了固定水杯的作用，這種不合乎常理的設計在新款奧迪A6L的車型上得到了改進。但事情還沒完，它到底是如何實現(xiàn)加熱和制冷的，這個問題又讓我糾結了好一陣。

● 如何獲取熱量

先從相對簡單的加熱功能說起，將電阻絲植入其中，在給電阻絲通電后，其可產(chǎn)生一定的熱量，這理解起來很容易，座椅加熱、后窗和外后視鏡除霧都是運用的這個原理。

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● 制冷又是如何實現(xiàn)的？

若提到制冷，我們大多第一反應是與空調(diào)有關，當然有些車載冰箱會裝配單獨的制冷系統(tǒng)，但要是為得到一個可制冷的杯架而設置一個伺服機構，這未免有些得不償失，在按下杯架的制冷按鍵時，我還刻意留意了下壓縮機有沒有偷偷的參與進來，但事實情況并非如此，通過杯架的樣子來看，鋁制的內(nèi)襯顯然是為達到更好的傳導效果而刻意為之，那源頭在哪呢？

—— 帕爾帖原理的誕生

早在1834年，一個半道出家的法國物理學家發(fā)現(xiàn)了這樣一個規(guī)律，當給由N、P型材料組成的一對熱電偶接通直流電后，隨著電流方向的改變，在電偶的結點處產(chǎn)生了吸熱和放熱的現(xiàn)象，也就是說在當一邊產(chǎn)生熱量時，另一邊就會出現(xiàn)吸熱制冷的情況。自此，他用自己的名字冠名了這個物理現(xiàn)象。（這個研究成果給后人帶來了什么樣的經(jīng)濟回報，為什么不同的應用領域竟然標價相差百余倍......）

帕爾帖原理：金屬與半導體接觸, 當電子由金屬進入半導體時, 需要克服勢壘阻礙, 并且進入半導體后的運動也要一定的能量, 所以會發(fā)生吸熱現(xiàn)象; 相反, 當電子由半導體進入金屬時, 就會放出相同的能量。

勢壘：該處勢能比附近區(qū)域的勢能都高的空間。

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『發(fā)現(xiàn)這一物理現(xiàn)象的帕爾帖（Peltier ）先生在30歲時辭掉了自己表匠的工作進而轉頭科學研究』

有意思的是，這個現(xiàn)象在1821年最先被一位德國科學家發(fā)現(xiàn)，但遺憾的是他在隨后的一系列推論過程中并沒有領悟到背后的科學真理，最終導致理論上的錯誤。而在13年后，一位原先從事表匠工作的法國人，在辭掉了自己的本職工作后潛心搞起了科學研究，并將這一現(xiàn)象的真理大白于天下，這個人就是“帕爾帖”。又過了3年，一位俄國的科學家也發(fā)現(xiàn)了這個物理現(xiàn)象并對其進行了更為深入的研究，在原有基礎上，他給出了“發(fā)熱量和制冷量的多少與電流大小成正比關系”的結論，但由于法國人率先發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，所以，這個比例系數(shù)只好以“帕爾帖系數(shù)”來命名。

注：“Peltier”的名字已經(jīng)被我國一家制造半導體的企業(yè)進行了商標注冊。

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『楞次，俄國科學家，他可是中學物理課本中曝光率頗高的人物』

這個人叫楞次（1804～1865），作為全職科學家，他也冠名了一個物理現(xiàn)象，相比于帕爾帖，你對他應該有點印象。中學時，你是否也像我一樣實在搞不明白為什么有一幫人會舉起左手并任其扭曲就為找到電動勢的方向，這正是拜“楞次定律”所賜。

科學基礎理論研究向實用技術轉化可分為漸進型和突變型兩種模式，將帕爾帖原理應用于制冷元件的過程屬于漸進型，至于突變型，原子彈的出現(xiàn)算是一個例子，而在未來，外星文明的探索將是存在變數(shù)最大的一個領域，一旦與外太空的世界建立了良好的邦交關系，因此而給我們的生活帶來的改變是不可預知的。

● 溫控杯架的結構及工作原理

隨著科技水平的整體提高，帕爾帖效應在近代才在實用性方面得到了推廣，而在汽車領域，它也找到了自己的用武之地，運用最為廣泛的要數(shù)車載冰箱，其次就是我們一開始所提到的加熱/制冷杯架。

—— 元件的結構

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通上直流電后，陶瓷片的一面會熱起來，另一面會涼下去。將電流方向改變，就可以顛倒熱冷，甚有扭轉乾坤之勢，而這只需要通過兩個按鍵就能實現(xiàn)。

P型半導體由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導體內(nèi)部形成帶正電的空穴。N型半導體由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導體內(nèi)部形成帶負電的自由電子。如果你有興趣了解更多有關P、N型材料的信息，求助于百度知道是個不錯的選擇。

—— 溫控杯架的結構

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圖中演示了這套加熱/制冷裝置的組成，上文提到了帕爾帖元件的工作特點，當元件的一側發(fā)揮制冷的功效時，另一側就會產(chǎn)生熱量，為了獲得更好的制冷效果，就必須要將帕爾帖元件發(fā)熱側產(chǎn)生的熱量盡可能的排出，為此，在元件下方裝了一塊散熱片，安裝在附近的散熱風扇通過中控臺兩側開辟的通風孔進行強制散熱。

—— 溫控杯架的效果

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至于它的能力，包括我在內(nèi)的很多人都產(chǎn)生了質疑，依靠12V的車載電壓且沒有任何變壓裝置輔助的情況下，它究竟能給我們帶來什么？但通過實際測量來看這個裝置絕非雞肋之輩。在制冷狀態(tài)下，鋁殼表面溫度可降至5℃，在夏天，用它來冰個飲料雖無法達到立竿見影的效果，但至少可以讓飲料持續(xù)保持涼爽的口感；而在加熱狀態(tài)下，鋁殼表面溫度可上升至58℃，用它來保溫絕對夠用了。

—— 溫控杯架的工作邏輯

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在奧迪Q5和奧迪A6L車型上，這個功能隸屬于舒適系統(tǒng)旗下，這張圖可以大概說清楚它們之間的關系，看上去這套邏輯要比帕爾帖原理還要復雜，確實是這樣，現(xiàn)代汽車電路已經(jīng)慢慢地將更為復雜的數(shù)據(jù)總線普及開來，通過傳輸信息速度更快的數(shù)據(jù)總線可以讓日益繁多的車載功能建立連接，從而形成網(wǎng)絡，便于各功能間相互協(xié)同，溫控杯架便是舒適系統(tǒng)內(nèi)的一個分支。

● 帕爾帖的優(yōu)勢

1、在制冷狀態(tài)下，它可以把溫度控制在5℃左右，在大多數(shù)情況下低于環(huán)境溫度。
2、根據(jù)楞次對這一物理現(xiàn)象做出的補充結論來看，可以通過電流的大小來控制溫度的變化，并且做到精確。
3、帕爾帖元件的結構較為穩(wěn)定，所以，這個裝置的可靠性會很高，故障率很低，而且壽命也比較長。
4、由于是單兵作戰(zhàn)，所以，無論是在加熱還是制冷的工作狀態(tài)下，它不會產(chǎn)生噪音（散熱風扇或許會成為噪音源，但也僅是因車內(nèi)的塵土卷入了風扇對其形成干涉導致）。

● 帕爾帖原理在其它領域應用

看完了上面對奧迪Q5溫控杯架的介紹后，你可能會覺得這套東西真是太復雜了，尤其是那套工作流程，從什么供電控制單元到什么車載網(wǎng)絡再到什么舒適系統(tǒng)控制單元，實際上，這個被稱作“制冷貼”的小玩意兒以現(xiàn)在的技術水平來衡量，真是太簡單不過了，奧迪的工程師做出這樣的編排只是為了讓車載網(wǎng)絡更為完整，當然這也會增加它的制造成本，從來自淘寶的信息來看，一套溫控水杯架的售價在3,800元，我相信如果要是換做4S店，它的價格會再高一些，好在“制冷貼”的工作狀態(tài)還算穩(wěn)定，出現(xiàn)故障的幾率比較低。

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在輸入“制冷貼”字樣后顯示的搜索結果中，與之形成鮮明對比的是下面我將為您展示的小裝置，一個與電腦USB連接的制冷杯架標價38元，而一個車載冰箱的標價則在幾百元上下。

——迷你小杯架

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——車載冰箱

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—— 這樣的裝置還被用在哪？

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『這樣的搭配一定在其它領域也得到了運用，比如，它會不會用在CPU的散熱上，大家集思廣益找出隱藏在身邊的帕爾帖原理』

看到這一定會有不少人仰天大笑，原來3,800元的標價在去個“，”后才是真相啊~這種聲音絕對可以被理解，運用了同樣的原理，恨不得核心元件都是一樣的，怎么就能差出近百倍的價格。但汽車畢竟是汽車，更何況是高檔汽車，溫控杯架的制造成本一定與“地攤貨”不是一個級別，極致的制造工藝并且在材料的選用上也會更講究，再加上作為汽車配件特有的一系列附加值，標價3,800元似乎也在情理之中，你的意見呢？

相關視頻：45秒就能讓水結冰，與這貨相比，上面介紹的小裝置簡直弱爆了

編輯總結：

并不是車上所有飲料加熱/制冷功能都會采納帕爾帖的那套理論，設計師通過對空調(diào)出風管路的巧妙編排也可以為用戶提供這樣的便利。手套箱就兼職了加熱/制冷的工作�？照{(diào)出風口被引到手套箱后，通過一個簡單的旋轉閥門來控制開閉以及冷熱風道的切換，這樣，無論是在夏天還是冬天，你都能用它來對飲料的溫度進行控制。還有些車型索性在原有的空調(diào)出風口附近安裝個可折疊的杯架，也可以起到對飲料進行加熱/制冷的作用，這些設計都很貼心。

僅靠通電不僅可以獲得熱量，也可以達到降溫的效果，早在近200年前被發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象到現(xiàn)在還在默默地服務著我們，不由得感嘆科技的偉大。這個裝置的原理也讓我明白了一件事，對于經(jīng)驗之談，一定要多提出一些質疑，切記任思維以慣性方向延伸！

作者: 汕尾大爺 時間: 2012-5-25 12:13