運動自發(fā)熱護膝

周清

摘 要：冬季以及季節(jié)變化的時期人們?yōu)榱擞鶗\動，但是運動產(chǎn)生的熱量主要集中在肌肉多的地方，而膝關(guān)節(jié)等肌肉少的地方的溫度并沒有提高，為了使對風(fēng)濕、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者、中老年人群關(guān)節(jié)炎通過運動達到溫?zé)崂懑煹男Ч?。本設(shè)計是一種可以通過走動健身產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能發(fā)熱使膝關(guān)節(jié)達到保暖的護膝，就是在護膝里安裝活性碳纖維發(fā)熱布，當(dāng)有電流流過碳纖維時會出現(xiàn)均勻的發(fā)熱現(xiàn)象，從而達到提高溫度的目的。為了活動方便不能采用固定電源，而普通的充電電池有能量與體積的沖突，因此引用手壓電筒的原理采用手壓式自發(fā)電裝置，這樣使用者只要做簡單行走運動就可以讓護膝發(fā)熱達到保暖的目的并可以有效防止風(fēng)濕、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎并減少關(guān)節(jié)疼痛。

關(guān)鍵詞：運動自發(fā)熱護膝；行走運動發(fā)電；活性碳纖維；電流熱效應(yīng)

中圖分類號：R441.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0041-02

0 引言

經(jīng)常看到那些風(fēng)濕、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者，每到冬天都要帶上厚厚的護膝，但是效果不是很好。現(xiàn)在市面上有利用化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的熱敷貼，但是經(jīng)常使用花銷很大，而且會帶來環(huán)境的污染。本設(shè)計就是探尋持續(xù)的清潔能源使護膝持續(xù)加溫，從而解決關(guān)節(jié)炎病人煩惱的產(chǎn)品。

1 運動自發(fā)熱護膝的能源設(shè)計與論證

要給護膝持續(xù)加溫就需要持久的電源，如果采用外接電源使用起來不是很方便。采用充電電池也會發(fā)生能量與體積的沖突。本設(shè)計引用把手壓（搖）式電筒的原理，這樣護膝就有了持續(xù)的便攜式電源，這樣不僅可以很好的解決便攜式電源的能量與體積的沖突，使用者只要通過行走運動就可以實現(xiàn)持續(xù)能量的產(chǎn)生，并促使使用者鍛煉。

本設(shè)計采用拉力式發(fā)電機，在大腿、小腿處各安裝一個固定帶，利用人體走路時提腿運動使發(fā)電機產(chǎn)生電流，如圖2所示。一個50kg的成年人的行走時使鐵芯在線圈內(nèi)運動3cm就會產(chǎn)生15焦耳的能量，如果每分鐘雙腳各運動10次就會有300焦耳的能量，這樣時候可以得到比較穩(wěn)定的電能，當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度（35℃左右）的時候自動轉(zhuǎn)為沖電模式，溫度低于設(shè)定程度（30℃左右）就自動從電池放電。電池設(shè)有自動報警功能，如果電池的電量不足的時候會提示運動發(fā)電。

該自發(fā)電源電路原理如圖1所示。在使用的時候行走充電器，使它的磁鐵移動，通過線圈即產(chǎn)生電能，再經(jīng)圖中的d1-d4整流，c1貯能向電池cr2032充電而實現(xiàn)自發(fā)電的功能。通過智能溫控開關(guān)控制使護膝發(fā)熱。

為了使用方便我在發(fā)電設(shè)備安裝外面安裝了一個外殼，這樣就大大減少了故障發(fā)生的概率。由于護膝的體積不能太大，本設(shè)計把電池設(shè)計成環(huán)狀。

2 保暖護膝的發(fā)熱材料的研究與論證

在保暖護膝的發(fā)熱材料上本設(shè)計也進行了深入的研究。首先想到了電熱毯，電熱毯通過電流的熱效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，可以達到加熱的目的，如果能夠根據(jù)電熱毯的工作原理制作一個小型塊狀加熱片，不就可以達到很定加熱的目的嗎？通過對舊電熱毯的研究發(fā)現(xiàn)，電熱毯的發(fā)熱材料為一根彎曲的電阻絲，電阻絲周圍填有真空棉之類的導(dǎo)熱材料，作用是熱量均衡。通過試驗，證明這一設(shè)計思路的可行的，但是仍然存在很多不足之處。

第一，電阻絲的排列不能太近，間距太小時發(fā)熱功率往往較大，開始試用時還好，時間稍長就會有灼熱感，甚至感覺很燙。

第二，間距太大時發(fā)熱點又太過分散，單靠真空棉一類的導(dǎo)熱材料無法達到足夠的熱量均衡，其結(jié)果就是靠近電阻絲的地方溫度較高，而遠離電阻絲的地方溫度卻較低（這一現(xiàn)象在作為床上使用的電熱毯時影響往往不夠明顯，但是用在護膝里加熱時其不足就顯得十分明顯了）。

第三，金屬材質(zhì)的電阻絲抗折疊性能不好，而且任何一根折斷整個支路就不能正常發(fā)熱。

第四，金屬材質(zhì)的電阻絲比較硬，而人的膝蓋處不是很平整，這樣使用效果會大打折扣。

基于以上幾個問題，通過各類書籍、網(wǎng)絡(luò)、甚至相關(guān)廣告查找大量的資料，終于找到了一種合適的制作材料，即由碳纖維發(fā)熱材料等壓制而成的活性碳纖維發(fā)熱布。碳纖維發(fā)熱布是最新發(fā)明的高新技術(shù)產(chǎn)品，采用尖端發(fā)熱材料-碳素纖維和棉纖維合制而成后壓膜耐熱性絕緣聚氨酯材料，是一種新型的高性能纖維增強材料。碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕、防水、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等諸多優(yōu)異性能，可以說是金屬絲、PTC等電熱材料，所不可比擬的極佳的發(fā)熱材料。當(dāng)活性碳纖維發(fā)熱布通電后，碳纖維和棉纖維二者的分子形態(tài)進行結(jié)合，釋放出波長為5-20微米的電磁波，所輻射的電磁波中有90%以上的屬于遠紅外線熱輻射，由于紅外線的熱效應(yīng)很明顯，所以活性炭纖維發(fā)熱布的發(fā)熱效果很好。

除此之外，活性碳纖維布還有以下幾種優(yōu)點：

第一，溫度提升速度快，由0°C升至37°C僅需1分鐘左右（可謂“通電即熱”），而且可以使用溫控器隨意調(diào)節(jié)溫度，參數(shù)設(shè)定之后幾乎可以保證發(fā)熱體達到恒溫狀態(tài)。

第二，省電節(jié)能性能良好，由于其每根纖維都是一個微小的發(fā)熱體，纖維的排列呈密集的網(wǎng)狀分布，所以纖維布上各個部位都在發(fā)熱，發(fā)熱面積大，溫度分布均勻，發(fā)熱效果極佳，其電能到內(nèi)能的轉(zhuǎn)換率可以達到98%以上，實現(xiàn)最大限度地降低能耗。

第三，活性碳纖維發(fā)熱布具有很高的安全可靠性?；钚蕴祭w維布質(zhì)地柔軟，可折疊，可擠壓，不會出現(xiàn)斷裂和破碎現(xiàn)象，這就有效的防止了斷路、漏電現(xiàn)象的發(fā)生；其獨特的碳棉分子結(jié)合遠紅外發(fā)熱原理確保了該產(chǎn)品不會產(chǎn)生明火，有效避免燃燒火患；另外，其先進的涂刮壓膜技術(shù)實現(xiàn)發(fā)熱層與耐熱性絕緣材料渾然一體，可以有效的杜絕短路情況的發(fā)生。

第四，由于活性碳纖維布具有獨特的超薄設(shè)計，厚度只有1毫米，而且質(zhì)地柔軟，所以使用時更加貼護肌體曲線，達到全面保溫的效果。

第五，活性碳纖維材料的物理性能良好，其抗拉強度高于鋼材3-4倍，鋼度高于2-3倍，耐疲勞性高于2倍，克服了金屬絲、PTC、碳化硅等電熱材料在電熱狀態(tài)下強度低、易氧化燒斷的缺點。由于碳纖維是網(wǎng)狀發(fā)熱體，因此，即便有1根折斷也不會影響整體通電發(fā)熱，這種平行均勻排列設(shè)計徹底解決了斷一處而失全局的隱患。

發(fā)熱部分的核心內(nèi)容就是活性碳纖維布，它通過在碳、棉兩種纖維合制后壓膜了一層耐熱性絕緣聚氨酯材料制作而成，厚度約為1.5mm。為了保護發(fā)熱用的活性碳纖維布，還特別在外面增加了一個由PVC面料制成的套層。PVC套層能夠防止活性碳纖維布的磨損，能增強防水緣聚氨酯壓膜層的防水性能。

3 結(jié)語

本設(shè)計的適用于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、中老年人群關(guān)節(jié)炎、腰腿疼痛、老寒腿、戶外運動人員等癥的溫?zé)崂懑?。有以下功能?/p>

（1）通過自發(fā)電加熱，不需要利用化學(xué)物質(zhì)的發(fā)熱來給膝關(guān)節(jié)加熱，使用清潔能源。

（2）能夠深度的刺激膝蓋的內(nèi)關(guān)、外關(guān)節(jié)等人體的關(guān)鍵部位。尤其針對戶外運動人員，起到了消除肌肉疲勞，加強膝關(guān)節(jié)的血液循環(huán)。還能夠激活細胞促進新陳代謝、疏通經(jīng)絡(luò)、祛風(fēng)除濕、陣痛驅(qū)寒、增強機體抗病能力。

（3）促進老年人（或風(fēng)濕、類風(fēng)濕病患者）運動并可以緩解老年人關(guān)節(jié)疼痛。

參考文獻

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