帕尔帖的秘密解读水杯架加热/制冷原理

yeaya · 发表于 2012-5-25 11:48:16

车内那些琳琅满目的功能配置极大地满足了我们的用车需求，有些功能的确必不可少，而有些功能则可为你的旅程锦上添花。具备加热和制冷功能的杯架就是提升用车品质的一项功能，听上去没什么特别的，不就是加热和制冷嘛，但这个看似不起眼的水杯固定装置却蕴藏了一个极具创意的原理。

● 究竟哪个杯架带有加热/制冷功能

我第一次发现这个装置是在奥迪Q5上，它位于前排两个驾驶席之间，这两个杯架与其它车型的布局相同，并列排在换挡杆区域的后方供前方驾驶员和副驾驶席位的乘客使用，在两个杯架的后方有两个带有制冷和加热标识的按键，很明显，通过不同的按键，放置于杯架中的器皿可被制冷或加热。

『这是个普通的水杯架』

『你分得清加热/制冷功能在哪边吗？』

要承认的是，这种布局的确带有一定的欺骗性，包括我在内的很多人都对它产生了误会，认为每一个按键对应一个杯架，也就是说驾驶员一侧的杯架是带有加热功能，而副驾驶一侧的杯架则具备制冷功能，曾经有位朋友就说到了这个问题，但事实并非如此。

『用镀铬饰板来划分出明显的区域看上去更清楚
内部有铝片包裹的才是具备冷热功能的杯架』

实际上那两个按键其实是用于同一个杯架的加热和制冷功能的切换，而具备这个功能的杯架在其表面被一层铝覆盖（这是区别于普通杯架的典型特征），而表面充斥着塑料和橡胶材质的杯架则仅仅起到了固定水杯的作用，这种不合乎常理的设计在新款奥迪A6L的车型上得到了改进。但事情还没完，它到底是如何实现加热和制冷的，这个问题又让我纠结了好一阵。

● 如何获取热量

先从相对简单的加热功能说起，将电阻丝植入其中，在给电阻丝通电后，其可产生一定的热量，这理解起来很容易，座椅加热、后窗和外后视镜除雾都是运用的这个原理。

● 制冷又是如何实现的？

若提到制冷，我们大多第一反应是与空调有关，当然有些车载冰箱会装配单独的制冷系统，但要是为得到一个可制冷的杯架而设置一个伺服机构，这未免有些得不偿失，在按下杯架的制冷按键时，我还刻意留意了下压缩机有没有偷偷的参与进来，但事实情况并非如此，通过杯架的样子来看，铝制的内衬显然是为达到更好的传导效果而刻意为之，那源头在哪呢？

—— 帕尔帖原理的诞生

早在1834年，一个半道出家的法国物理学家发现了这样一个规律，当给由N、P型材料组成的一对热电偶接通直流电后，随着电流方向的改变，在电偶的结点处产生了吸热和放热的现象，也就是说在当一边产生热量时，另一边就会出现吸热制冷的情况。自此，他用自己的名字冠名了这个物理现象。（这个研究成果给后人带来了什么样的经济回报，为什么不同的应用领域竟然标价相差百余倍......）

帕尔帖原理：金属与半导体接触, 当电子由金属进入半导体时, 需要克服势垒阻碍, 并且进入半导体后的运动也要一定的能量, 所以会发生吸热现象; 相反, 当电子由半导体进入金属时, 就会放出相同的能量。

势垒：该处势能比附近区域的势能都高的空间。

『发现这一物理现象的帕尔帖（Peltier ）先生在30岁时辞掉了自己表匠的工作进而转头科学研究』

有意思的是，这个现象在1821年最先被一位德国科学家发现，但遗憾的是他在随后的一系列推论过程中并没有领悟到背后的科学真理，最终导致理论上的错误。而在13年后，一位原先从事表匠工作的法国人，在辞掉了自己的本职工作后潜心搞起了科学研究，并将这一现象的真理大白于天下，这个人就是“帕尔帖”。又过了3年，一位俄国的科学家也发现了这个物理现象并对其进行了更为深入的研究，在原有基础上，他给出了“发热量和制冷量的多少与电流大小成正比关系”的结论，但由于法国人率先发现了这个现象，所以，这个比例系数只好以“帕尔帖系数”来命名。

注：“Peltier”的名字已经被我国一家制造半导体的企业进行了商标注册。

『楞次，俄国科学家，他可是中学物理课本中曝光率颇高的人物』

这个人叫楞次（1804～1865），作为全职科学家，他也冠名了一个物理现象，相比于帕尔帖，你对他应该有点印象。中学时，你是否也像我一样实在搞不明白为什么有一帮人会举起左手并任其扭曲就为找到电动势的方向，这正是拜“楞次定律”所赐。

科学基础理论研究向实用技术转化可分为渐进型和突变型两种模式，将帕尔帖原理应用于制冷元件的过程属于渐进型，至于突变型，原子弹的出现算是一个例子，而在未来，外星文明的探索将是存在变数最大的一个领域，一旦与外太空的世界建立了良好的邦交关系，因此而给我们的生活带来的改变是不可预知的。

● 温控杯架的结构及工作原理

随着科技水平的整体提高，帕尔帖效应在近代才在实用性方面得到了推广，而在汽车领域，它也找到了自己的用武之地，运用最为广泛的要数车载冰箱，其次就是我们一开始所提到的加热/制冷杯架。

—— 元件的结构

通上直流电后，陶瓷片的一面会热起来，另一面会凉下去。将电流方向改变，就可以颠倒热冷，甚有扭转乾坤之势，而这只需要通过两个按键就能实现。

P型半导体由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴。N型半导体由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。如果你有兴趣了解更多有关P、N型材料的信息，求助于百度知道是个不错的选择。

—— 温控杯架的结构

图中演示了这套加热/制冷装置的组成，上文提到了帕尔帖元件的工作特点，当元件的一侧发挥制冷的功效时，另一侧就会产生热量，为了获得更好的制冷效果，就必须要将帕尔帖元件发热侧产生的热量尽可能的排出，为此，在元件下方装了一块散热片，安装在附近的散热风扇通过中控台两侧开辟的通风孔进行强制散热。

—— 温控杯架的效果

至于它的能力，包括我在内的很多人都产生了质疑，依靠12V的车载电压且没有任何变压装置辅助的情况下，它究竟能给我们带来什么？但通过实际测量来看这个装置绝非鸡肋之辈。在制冷状态下，铝壳表面温度可降至5℃，在夏天，用它来冰个饮料虽无法达到立竿见影的效果，但至少可以让饮料持续保持凉爽的口感；而在加热状态下，铝壳表面温度可上升至58℃，用它来保温绝对够用了。

—— 温控杯架的工作逻辑

在奥迪Q5和奥迪A6L车型上，这个功能隶属于舒适系统旗下，这张图可以大概说清楚它们之间的关系，看上去这套逻辑要比帕尔帖原理还要复杂，确实是这样，现代汽车电路已经慢慢地将更为复杂的数据总线普及开来，通过传输信息速度更快的数据总线可以让日益繁多的车载功能建立连接，从而形成网络，便于各功能间相互协同，温控杯架便是舒适系统内的一个分支。

● 帕尔帖的优势

1、在制冷状态下，它可以把温度控制在5℃左右，在大多数情况下低于环境温度。
2、根据楞次对这一物理现象做出的补充结论来看，可以通过电流的大小来控制温度的变化，并且做到精确。
3、帕尔帖元件的结构较为稳定，所以，这个装置的可靠性会很高，故障率很低，而且寿命也比较长。
4、由于是单兵作战，所以，无论是在加热还是制冷的工作状态下，它不会产生噪音（散热风扇或许会成为噪音源，但也仅是因车内的尘土卷入了风扇对其形成干涉导致）。

● 帕尔帖原理在其它领域应用

看完了上面对奥迪Q5温控杯架的介绍后，你可能会觉得这套东西真是太复杂了，尤其是那套工作流程，从什么供电控制单元到什么车载网络再到什么舒适系统控制单元，实际上，这个被称作“制冷贴”的小玩意儿以现在的技术水平来衡量，真是太简单不过了，奥迪的工程师做出这样的编排只是为了让车载网络更为完整，当然这也会增加它的制造成本，从来自淘宝的信息来看，一套温控水杯架的售价在3,800元，我相信如果要是换做4S店，它的价格会再高一些，好在“制冷贴”的工作状态还算稳定，出现故障的几率比较低。

在输入“制冷贴”字样后显示的搜索结果中，与之形成鲜明对比的是下面我将为您展示的小装置，一个与电脑USB连接的制冷杯架标价38元，而一个车载冰箱的标价则在几百元上下。

——迷你小杯架

——车载冰箱

—— 这样的装置还被用在哪？

『这样的搭配一定在其它领域也得到了运用，比如，它会不会用在CPU的散热上，大家集思广益找出隐藏在身边的帕尔帖原理』

看到这一定会有不少人仰天大笑，原来3,800元的标价在去个“，”后才是真相啊~这种声音绝对可以被理解，运用了同样的原理，恨不得核心元件都是一样的，怎么就能差出近百倍的价格。但汽车毕竟是汽车，更何况是高档汽车，温控杯架的制造成本一定与“地摊货”不是一个级别，极致的制造工艺并且在材料的选用上也会更讲究，再加上作为汽车配件特有的一系列附加值，标价3,800元似乎也在情理之中，你的意见呢？

相关视频：45秒就能让水结冰，与这货相比，上面介绍的小装置简直弱爆了

编辑总结：

并不是车上所有饮料加热/制冷功能都会采纳帕尔帖的那套理论，设计师通过对空调出风管路的巧妙编排也可以为用户提供这样的便利。手套箱就兼职了加热/制冷的工作。空调出风口被引到手套箱后，通过一个简单的旋转阀门来控制开闭以及冷热风道的切换，这样，无论是在夏天还是冬天，你都能用它来对饮料的温度进行控制。还有些车型索性在原有的空调出风口附近安装个可折叠的杯架，也可以起到对饮料进行加热/制冷的作用，这些设计都很贴心。

仅靠通电不仅可以获得热量，也可以达到降温的效果，早在近200年前被发现的物理现象到现在还在默默地服务着我们，不由得感叹科技的伟大。这个装置的原理也让我明白了一件事，对于经验之谈，一定要多提出一些质疑，切记任思维以惯性方向延伸！