帕爾帖的秘密解讀水杯架加熱/制冷原理

yeaya · 發(fā)表于 2012-5-25 11:48:16

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(zhì)的一項(xiàng)功能，聽(tīng)上去沒(méi)什么特別的，不就是加熱和制冷嘛，但這個(gè)看似不起眼的水杯固定裝置卻蘊(yùn)藏了一個(gè)極具創(chuàng)意的原理。

● 究竟哪個(gè)杯架帶有加熱/制冷功能

我第一次發(fā)現(xiàn)這個(gè)裝置是在奧迪Q5上，它位于前排兩個(gè)駕駛席之間，這兩個(gè)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(gè)杯架的后方有兩個(gè)帶有制冷和加熱標(biāo)識(shí)的按鍵，很明顯，通過(guò)不同的按鍵，放置于杯架中的器皿可被制冷或加熱。

『這是個(gè)普通的水杯架』

『你分得清加熱/制冷功能在哪邊嗎？』

要承認(rèn)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(duì)它產(chǎn)生了誤會(huì)，認(rèn)為每一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)杯架，也就是說(shuō)駕駛員一側(cè)的杯架是帶有加熱功能，而副駕駛一側(cè)的杯架則具備制冷功能，曾經(jīng)有位朋友就說(shuō)到了這個(gè)問(wèn)題，但事實(shí)并非如此。

『用鍍鉻飾板來(lái)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(shí)際上那兩個(gè)按鍵其實(shí)是用于同一個(gè)杯架的加熱和制冷功能的切換，而具備這個(gè)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(zhì)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(shè)計(jì)在新款奧迪A6L的車型上得到了改進(jìn)。但事情還沒(méi)完，它到底是如何實(shí)現(xiàn)加熱和制冷的，這個(gè)問(wèn)題又讓我糾結(jié)了好一陣。

● 如何獲取熱量

先從相對(duì)簡(jiǎn)單的加熱功能說(shuō)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(lái)很容易，座椅加熱、后窗和外后視鏡除霧都是運(yùn)用的這個(gè)原理。

● 制冷又是如何實(shí)現(xiàn)的？

若提到制冷，我們大多第一反應(yīng)是與空調(diào)有關(guān)，當(dāng)然有些車載冰箱會(huì)裝配單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，但要是為得到一個(gè)可制冷的杯架而設(shè)置一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，這未免有些得不償失，在按下杯架的制冷按鍵時(shí)，我還刻意留意了下壓縮機(jī)有沒(méi)有偷偷的參與進(jìn)來(lái)，但事實(shí)情況并非如此，通過(guò)杯架的樣子來(lái)看，鋁制的內(nèi)襯顯然是為達(dá)到更好的傳導(dǎo)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(gè)半道出家的法國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)規(guī)律，當(dāng)給由N、P型材料組成的一對(duì)熱電偶接通直流電后，隨著電流方向的改變，在電偶的結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了吸熱和放熱的現(xiàn)象，也就是說(shuō)在當(dāng)一邊產(chǎn)生熱量時(shí)，另一邊就會(huì)出現(xiàn)吸熱制冷的情況。自此，他用自己的名字冠名了這個(gè)物理現(xiàn)象。（這個(gè)研究成果給后人帶來(lái)了什么樣的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，為什么不同的應(yīng)用領(lǐng)域竟然標(biāo)價(jià)相差百余倍......）

帕爾帖原理：金屬與半導(dǎo)體接觸, 當(dāng)電子由金屬進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí), 需要克服勢(shì)壘阻礙, 并且進(jìn)入半導(dǎo)體后的運(yùn)動(dòng)也要一定的能量, 所以會(huì)發(fā)生吸熱現(xiàn)象; 相反, 當(dāng)電子由半導(dǎo)體進(jìn)入金屬時(shí), 就會(huì)放出相同的能量。

勢(shì)壘：該處勢(shì)能比附近區(qū)域的勢(shì)能都高的空間。

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

有意思的是，這個(gè)現(xiàn)象在1821年最先被一位德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，但遺憾的是他在隨后的一系列推論過(guò)程中并沒(méi)有領(lǐng)悟到背后的科學(xué)真理，最終導(dǎo)致理論上的錯(cuò)誤。而在13年后，一位原先從事表匠工作的法國(guó)人，在辭掉了自己的本職工作后潛心搞起了科學(xué)研究，并將這一現(xiàn)象的真理大白于天下，這個(gè)人就是“帕爾帖”。又過(guò)了3年，一位俄國(guó)的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)物理現(xiàn)象并對(duì)其進(jìn)行了更為深入的研究，在原有基礎(chǔ)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(guān)系”的結(jié)論，但由于法國(guó)人率先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，所以，這個(gè)比例系數(shù)只好以“帕爾帖系數(shù)”來(lái)命名。

注：“Peltier”的名字已經(jīng)被我國(guó)一家制造半導(dǎo)體的企業(yè)進(jìn)行了商標(biāo)注冊(cè)。

『楞次，俄國(guó)科學(xué)家，他可是中學(xué)物理課本中曝光率頗高的人物』

這個(gè)人叫楞次（1804～1865），作為全職科學(xué)家，他也冠名了一個(gè)物理現(xiàn)象，相比于帕爾帖，你對(duì)他應(yīng)該有點(diǎn)印象。中學(xué)時(shí)，你是否也像我一樣實(shí)在搞不明白為什么有一幫人會(huì)舉起左手并任其扭曲就為找到電動(dòng)勢(shì)的方向，這正是拜“楞次定律”所賜。

科學(xué)基礎(chǔ)理論研究向?qū)嵱眉夹g(shù)轉(zhuǎn)化可分為漸進(jìn)型和突變型兩種模式，將帕爾帖原理應(yīng)用于制冷元件的過(guò)程屬于漸進(jìn)型，至于突變型，原子彈的出現(xiàn)算是一個(gè)例子，而在未來(lái)，外星文明的探索將是存在變數(shù)最大的一個(gè)領(lǐng)域，一旦與外太空的世界建立了良好的邦交關(guān)系，因此而給我們的生活帶來(lái)的改變是不可預(yù)知的。

● 溫控杯架的結(jié)構(gòu)及工作原理

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

—— 元件的結(jié)構(gòu)

通上直流電后，陶瓷片的一面會(huì)熱起來(lái)，另一面會(huì)涼下去。將電流方向改變，就可以顛倒熱冷，甚有扭轉(zhuǎn)乾坤之勢(shì)，而這只需要通過(guò)兩個(gè)按鍵就能實(shí)現(xiàn)。

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

—— 溫控杯架的結(jié)構(gòu)

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(diǎn)，當(dāng)元件的一側(cè)發(fā)揮制冷的功效時(shí)，另一側(cè)就會(huì)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(cè)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(fēng)扇通過(guò)中控臺(tái)兩側(cè)開(kāi)辟的通風(fēng)孔進(jìn)行強(qiáng)制散熱。

—— 溫控杯架的效果

至于它的能力，包括我在內(nèi)的很多人都產(chǎn)生了質(zhì)疑，依靠12V的車載電壓且沒(méi)有任何變壓裝置輔助的情況下，它究竟能給我們帶來(lái)什么？但通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)看這個(gè)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(lái)冰個(gè)飲料雖無(wú)法達(dá)到立竿見(jiàn)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(lái)保溫絕對(duì)夠用了。

—— 溫控杯架的工作邏輯

在奧迪Q5和奧迪A6L車型上，這個(gè)功能隸屬于舒適系統(tǒng)旗下，這張圖可以大概說(shuō)清楚它們之間的關(guān)系，看上去這套邏輯要比帕爾帖原理還要復(fù)雜，確實(shí)是這樣，現(xiàn)代汽車電路已經(jīng)慢慢地將更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)總線普及開(kāi)來(lái)，通過(guò)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(luò)，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(gè)分支。

● 帕爾帖的優(yōu)勢(shì)

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(duì)這一物理現(xiàn)象做出的補(bǔ)充結(jié)論來(lái)看，可以通過(guò)電流的大小來(lái)控制溫度的變化，并且做到精確。
3、帕爾帖元件的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，所以，這個(gè)裝置的可靠性會(huì)很高，故障率很低，而且壽命也比較長(zhǎng)。
4、由于是單兵作戰(zhàn)，所以，無(wú)論是在加熱還是制冷的工作狀態(tài)下，它不會(huì)產(chǎn)生噪音（散熱風(fēng)扇或許會(huì)成為噪音源，但也僅是因車內(nèi)的塵土卷入了風(fēng)扇對(duì)其形成干涉導(dǎo)致）。

● 帕爾帖原理在其它領(lǐng)域應(yīng)用

看完了上面對(duì)奧迪Q5溫控杯架的介紹后，你可能會(huì)覺(jué)得這套東西真是太復(fù)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(luò)再到什么舒適系統(tǒng)控制單元，實(shí)際上，這個(gè)被稱作“制冷貼”的小玩意兒以現(xiàn)在的技術(shù)水平來(lái)衡量，真是太簡(jiǎn)單不過(guò)了，奧迪的工程師做出這樣的編排只是為了讓車載網(wǎng)絡(luò)更為完整，當(dāng)然這也會(huì)增加它的制造成本，從來(lái)自淘寶的信息來(lái)看，一套溫控水杯架的售價(jià)在3,800元，我相信如果要是換做4S店，它的價(jià)格會(huì)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。

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

——迷你小杯架

——車載冰箱

—— 這樣的裝置還被用在哪？

『這樣的搭配一定在其它領(lǐng)域也得到了運(yùn)用，比如，它會(huì)不會(huì)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(huì)有不少人仰天大笑，原來(lái)3,800元的標(biāo)價(jià)在去個(gè)“，”后才是真相啊~這種聲音絕對(duì)可以被理解，運(yùn)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(jià)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?cái)傌洝辈皇且粋€(gè)級(jí)別，極致的制造工藝并且在材料的選用上也會(huì)更講究，再加上作為汽車配件特有的一系列附加值，標(biāo)價(jià)3,800元似乎也在情理之中，你的意見(jiàn)呢？

相關(guān)視頻：45秒就能讓水結(jié)冰，與這貨相比，上面介紹的小裝置簡(jiǎn)直弱爆了

編輯總結(jié)：

并不是車上所有飲料加熱/制冷功能都會(huì)采納帕爾帖的那套理論，設(shè)計(jì)師通過(guò)對(duì)空調(diào)出風(fēng)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(fēng)口被引到手套箱后，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)閥門來(lái)控制開(kāi)閉以及冷熱風(fēng)道的切換，這樣，無(wú)論是在夏天還是冬天，你都能用它來(lái)對(duì)飲料的溫度進(jìn)行控制。還有些車型索性在原有的空調(diào)出風(fēng)口附近安裝個(gè)可折疊的杯架，也可以起到對(duì)飲料進(jìn)行加熱/制冷的作用，這些設(shè)計(jì)都很貼心。

僅靠通電不僅可以獲得熱量，也可以達(dá)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(wù)著我們，不由得感嘆科技的偉大。這個(gè)裝置的原理也讓我明白了一件事，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)之談，一定要多提出一些質(zhì)疑，切記任思維以慣性方向延伸！