基于半導(dǎo)體片的加熱制冷保溫杯的設(shè)計(jì)

戎杰 常凱

摘 要：傳統(tǒng)制冷方式受工作環(huán)境所局限。設(shè)計(jì)一種集制冷、加熱和保溫為一體的便攜制冷杯，分析其可行性及實(shí)用性，。設(shè)計(jì)方案采用單片機(jī)芯片和溫度感應(yīng)器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度，通過半導(dǎo)體熱電偶的正反接實(shí)現(xiàn)制冷和加熱，利用導(dǎo)溫材料及時(shí)將熱量散出。最終提出一種成熟的能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，可以更大程度的便利人們的生活。

關(guān)鍵詞：加熱制冷和保溫；溫度傳感；散熱；單片機(jī)；半導(dǎo)體

1 研究目的及意義

現(xiàn)在市面上的制冷、加熱方式主要以電冰箱和飲水機(jī)為主，并且二者已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市場，但是二者的工作環(huán)境又極大地受到環(huán)境的限制。因此，研究出一種不受工作環(huán)境限制且運(yùn)行穩(wěn)定的集制冷、加熱、保溫為一體的便攜式水杯將具有廣闊的市場前景。

近幾年來市面上不斷的出現(xiàn)各種一保溫為主的便攜式水杯，以服務(wù)于人們的生活，但是能夠?qū)⒅评洹⒓訜?、保溫結(jié)合在一起的便攜式水杯仍舊沒有得到較大的發(fā)展，更沒有出現(xiàn)能在市面上推廣的產(chǎn)品。

所以，此項(xiàng)研究以旨在提高人們的生活便利，節(jié)約日常飲用成本，通過查閱資料和了解現(xiàn)有產(chǎn)品的特性，進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)造，力求實(shí)現(xiàn)一種體積小、多功能、高度穩(wěn)定性和適用于各種環(huán)境的制冷/加熱器。本項(xiàng)目基于半導(dǎo)體制冷原理——當(dāng)直流電通過兩種不同的半導(dǎo)體材料串聯(lián)而成的熱電偶時(shí)，在電偶兩端即可吸收熱量和放出熱量，實(shí)現(xiàn)制冷、加熱的目的。該設(shè)計(jì)內(nèi)置可充電蓄電池，搭配溫度傳感器、溫度控制器以及底部的散熱裝置，產(chǎn)品體積小、方便攜帶、穩(wěn)定性高，能在任何環(huán)境下工作。旨在打破傳統(tǒng)的電冰箱制冷模式，創(chuàng)造一種不受工作環(huán)境所限制的制冷、加熱器，能夠迅速制冷、加熱水和各種飲料且能保持水冷的時(shí)間較長，可以廣泛應(yīng)用于生活領(lǐng)域，如酒吧、冷飲店，本發(fā)明的成本低，所以同樣適用于學(xué)生以及工作人群，可以大大節(jié)約人們在飲水上的生活成本。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目時(shí)基于目前市面上所有的制冷設(shè)備，制冷方式及原理，得到全覆蓋式的改進(jìn)靈感。創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)研究出一款集制冷、加熱、保溫為一體的便攜式水杯，研究其可行性，并對產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，然后對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及其能達(dá)到的功能如下。

2.1 最上方的是杯蓋，杯蓋頂部是一個(gè)溫度顯示器（內(nèi)置電池供電），其連接有溫度探測器，溫度傳感器將采集來的數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換輸入到51單片機(jī)中，單片機(jī)對輸入的信號進(jìn)行處理，然后再將處理結(jié)果顯示在數(shù)碼管或液晶顯示屏上。通過這個(gè)設(shè)計(jì)可以隨時(shí)對容器中水的溫度進(jìn)行監(jiān)控，防止溫度過高導(dǎo)致意外燙傷，也能防止溫度過低導(dǎo)致意外凍傷。

2.2 往下就是杯體，杯體從內(nèi)到外依次是內(nèi)層容器、制冷區(qū)域、保溫區(qū)域以及外層組成，內(nèi)層是容器，用來盛裝水和飲料等液體；制冷區(qū)域內(nèi)含半導(dǎo)體制冷片，通電時(shí)吸收內(nèi)層的水和飲料中的熱量，實(shí)現(xiàn)快速降溫，或者釋放熱量，實(shí)現(xiàn)快速加熱；保溫層內(nèi)只有保溫隔熱材料，可以長時(shí)間的保持已達(dá)到的溫度；

2.3 杯體內(nèi)層下面就是半導(dǎo)體片，半導(dǎo)體片采用4根導(dǎo)線連接，其中一對導(dǎo)線接蓄電池的正、負(fù)極，另一對則接到蓄電池的負(fù)、正極上，兩對導(dǎo)線的聯(lián)通才用兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)K1和K2控制，通過兩個(gè)開關(guān)的閉合，控制正向直流電和反向直流電的流通，進(jìn)而達(dá)到制冷、加熱的目的。且可根據(jù)要求，選用不同功率的半導(dǎo)體片。

2.4 蓄電池上接有溫度調(diào)節(jié)開關(guān)，可以通過控制電流的輸出來控制半導(dǎo)體制冷/加熱片的最大溫差。其可分為中高低三個(gè)檔位，可以隨心所欲的控制制冷/加熱所需達(dá)到的最低/最高的溫度大小。

2.5 整個(gè)杯子的底部就是散熱裝置了，內(nèi)置一個(gè)小功率散熱風(fēng)扇，其由一個(gè)低功率馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其電源來自于與半導(dǎo)體片所連接的蓄電池供應(yīng)。整個(gè)杯子底座采用圓臺(tái)式設(shè)計(jì)，能夠保持高度穩(wěn)定性，底座的內(nèi)部中空（除一個(gè)小型風(fēng)扇外），圓臺(tái)整體布滿散熱孔，可以促進(jìn)散熱。

2.6 利用半導(dǎo)體制冷片兩端的溫差趨于穩(wěn)定，在半導(dǎo)體制冷/加熱片和下面的底座中間還有一層導(dǎo)熱層，可以促進(jìn)熱量往底座（散熱裝置）傳遞，能有效地提高工作效率。

3 產(chǎn)品創(chuàng)新特點(diǎn)及發(fā)展前景：

3.1 本產(chǎn)品集制冷、加熱和保溫為一體，采用小結(jié)構(gòu)、輕量化設(shè)計(jì)，便攜便利；不僅可以對各種液體進(jìn)行加熱、制冷，也能對小型固體進(jìn)行降溫保存處理。切內(nèi)部的半導(dǎo)體片也可根據(jù)不同環(huán)境的工作需求進(jìn)行替換，實(shí)用性大大增強(qiáng)。

3.2 產(chǎn)品無運(yùn)動(dòng)部件，基本不會(huì)產(chǎn)生噪聲。且整體結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)；采用半導(dǎo)體制冷也不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生任何污染。

3.3 本產(chǎn)品采用導(dǎo)熱片+散熱裝置共同工作，根據(jù)半導(dǎo)體制冷片兩端的溫差是保持在一定范圍內(nèi)的原理，進(jìn)行快速降溫。且杯蓋置有溫度顯示器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化。而溫度控制器可以根據(jù)不同人群的需求進(jìn)行溫度控制。

3.4 本產(chǎn)品設(shè)置有自動(dòng)斷電裝置，當(dāng)溫度降低或升高到最高點(diǎn)時(shí)，通過溫度傳感器發(fā)出信號，通過自動(dòng)控制開關(guān)進(jìn)行斷電處理，可以有效地節(jié)約能耗。

在傳統(tǒng)制冷、加熱設(shè)備牢牢占據(jù)市場的情況下，新型的制冷方式也不斷地涌現(xiàn)，其設(shè)計(jì)方向也主要在于便捷消費(fèi)者的生活。所以研制一種低成本的、多功能化的以及滿足各種環(huán)境需求的同時(shí)也具有高度普適性——即能夠大面積推廣的制冷器，已經(jīng)成了未來的一個(gè)重要研究方向。

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