一種自發(fā)熱可控溫便攜式取暖器的設(shè)計(jì)

馬玉鳳 董春芳 李娟 趙翔 楊梓煜

摘 要 本設(shè)計(jì)為一款自發(fā)電便攜式取暖器，以壓電陶瓷發(fā)電系統(tǒng)為核心，集自發(fā)電部分，穩(wěn)電集電部分和控溫部分等多種功能模塊于一體，自發(fā)電部分利用了壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，穩(wěn)電集電部分將收集到的電荷處理成可利用的電流，在解決了取暖器戶外使用無法充電這一困擾的同時(shí)，也節(jié)約了能源，十分符合節(jié)能減排理念。其次該取暖器內(nèi)置的控溫裝置，將溫度控制在人體舒適溫度范圍內(nèi)，解決了普通取暖裝置存在的灼熱感與低溫燙傷等問題。且該款取暖器的設(shè)計(jì)極為輕巧，便于攜帶，適合外出旅游者使用。

關(guān)鍵詞 壓電陶瓷 便攜式 節(jié)能 控溫 自發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM02?????????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.020

The?Design?of?a?Portable?Heater?with?Self-heating?Controlled?Temperature

MA?Yufeng，?DONG?Chunfang，?LI?Juan，?ZHAO?Xiang，?YANG?Ziyu

（College?of?Engineering?and?Technology，?Northeast?Forestry?University，?Harbin，?Heilongjiang?150040）

Abstract This?design?is?a?spontaneous?electric?portable?heater，?piezoelectric?ceramic?power?generation?system?as?the?core，?set?the?spontaneous?electric?parts，?steady?electric?sets?a?variety?of?functions，?such?as?electric?parts?and?temperature?control?module?into?an?organic?whole，?spontaneous?electrical?part?using?the?direct?piezoelectric?effect?of?piezoelectric?ceramic，?steady?electric?sets?electric?parts?will?be?collected?by?the?handling?charge?into?the?current?available，?solved?the?heater?can't?charge?the?outdoor?use?a?troubling?at?the?same?time，?also?save?the?energy，?very?accord?with?energy?conservation?and?emissions?reduction.?Secondly，?the?built-in?temperature?control?device?of?the?heater?controls?the?temperature?within?the?comfortable?temperature?range?of?the?human?body，?and?solves?the?problems?such?as?the?burning?sensation?and?low?temperature?scald?existing?in?the?common?heating?device.?And?the?design?of?this?kind?of?heater?is?extremely?light，?easy?to?carry，?suitable?for?use?by?tourists?outside.

Keywords Piezoelectric?ceramics;?portable;?energy?saving;?temperature?control;?spontaneous?electric

在寒冷季節(jié)，各種取暖產(chǎn)品備受人們青睞，從傳統(tǒng)的熱水袋到各式電加熱取暖器，種類繁多。一些便于攜帶的、方便的取暖產(chǎn)品也成為了人們戶外工作或活動(dòng)的首選，例如電池式暖手寶、發(fā)熱帖之類的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品雖然滿足了功能需求和方便性，但忽略了極其重要的安全性，節(jié)能環(huán)保也無法實(shí)現(xiàn)。

低溫燙傷以及使用過程中的爆炸問題使得人們對其望而卻步，大量采用充電式和電池式供能方法，使用成本高且未考慮到節(jié)能環(huán)保理念。而該款自發(fā)熱可控溫便攜式取暖器很好地規(guī)避了這些問題，該取暖器采用無源供電，利用能量收集裝置將環(huán)境中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。壓電材料在外力的作用下產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能，而利用壓電振動(dòng)產(chǎn)生電能的這種壓電能量收集器具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。

該款取暖器還具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是可將人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的機(jī)械能通過壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，在此基礎(chǔ)上安置控溫裝置，以便外出工作或旅游的人攜帶，并起到節(jié)約能源的作用。二是當(dāng)人們在戶外取暖時(shí)，取暖器仍然處于發(fā)電的狀態(tài)當(dāng)中，此時(shí)人體本身就是一個(gè)動(dòng)力源，因此無需再尋找充電設(shè)備;控溫裝置除了能提高人們使用的舒適度，還能提高電能的利用率。

1?整體方案設(shè)計(jì)

基于壓電陶瓷的自發(fā)熱可控溫取暖器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括壓電陶瓷自發(fā)電部分、穩(wěn)電部分、集電部分、控溫部分以及發(fā)熱部分等多種功模塊。該取暖器以壓電陶瓷自發(fā)電的電源為核心，通過收集穩(wěn)定后的電能為發(fā)熱材料提供電源，并通過控溫裝置實(shí)現(xiàn)溫度范圍的控制，不僅具有無外源供電的特點(diǎn)，還迎合了節(jié)能理念。

1.1?整體電路原理設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品是基于壓電陶瓷的自發(fā)電可控溫便攜式取暖器，設(shè)計(jì)過程中包括發(fā)電、集電、穩(wěn)電、控溫等一系列裝置中轉(zhuǎn)換過程，，所以電路設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)取暖器功能的一大重點(diǎn)，如圖2即為取暖器功能實(shí)現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)原理電路圖。

1.2?壓電陶瓷自發(fā)電部分設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品發(fā)電部分主要利用壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電的性質(zhì)。其利用的是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷在外力作用下產(chǎn)生電荷，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)就是當(dāng)受到外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，從而產(chǎn)生電荷，而當(dāng)外力去掉后又恢復(fù)至初始不帶電的狀態(tài)，例如人在行走過程中腳對地面產(chǎn)生壓力，腳離開地面又恢復(fù)原樣。本產(chǎn)品使用的PZT壓電陶瓷系統(tǒng)有非常強(qiáng)且穩(wěn)定的壓電性能。因?yàn)閴弘娞沾杀旧碛睬掖?，所以將壓電晶體與彈性體連接起來構(gòu)成壓電振子，又因壓電振子振動(dòng)產(chǎn)生大電壓以及少量電荷，故采用并聯(lián)方式的壓電堆疊。厚度伸縮的壓電振子堆疊比長度伸縮的壓電堆疊能承受更大的力，在壓電振子等量，壓電堆疊能承受的力達(dá)到最大的情況下，厚度伸縮的壓電堆疊能夠產(chǎn)生更大的電流。經(jīng)我們初步研究，本產(chǎn)品可以在發(fā)電的同時(shí)發(fā)熱;以10cm 5cm的暖寶寶貼為例，從常溫加熱到40℃，發(fā)熱電阻絲碳纖維取規(guī)格為3K電阻為144 /m，碳纖維比熱容取0.0008J/（g k），只需6.73秒。

1.3?發(fā)電部分構(gòu)成

多片壓電陶瓷與1個(gè)開關(guān)串聯(lián)而成，壓電陶瓷通過身體部位的震動(dòng)發(fā)電，開關(guān)控制壓電陶瓷的數(shù)量，以此來控制產(chǎn)生電能的多少。最后根據(jù)所需電流的大小、適當(dāng)?shù)捏w積這兩個(gè)條件來確定壓電堆疊的層數(shù)n，厚度d，底面積A。如圖3所示。

該款取暖器的自發(fā)電部分采用電極并聯(lián)雙壓電片懸臂梁結(jié)構(gòu)，組成有壓電陶瓷片，以處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的質(zhì)量塊作為梁的彈性材料，來接收施加的外力;將壓電陶瓷粘在具有一定彈性的基本材料上并貼在懸臂梁的自由端，以保證在受到外力時(shí)能產(chǎn)生足夠高的振動(dòng)頻率，從而將產(chǎn)生的電流最大化。為使發(fā)電裝置能在較小的激勵(lì)強(qiáng)度和較寬的頻率范圍內(nèi)具備更強(qiáng)的發(fā)電能力，即采用多片壓電振子發(fā)電。

聯(lián)接方式采用輸出電流較大的并聯(lián)聯(lián)接。此結(jié)構(gòu)是將上下兩個(gè)陶瓷片引出了電極接到一起，相互短接，然后作為發(fā)電裝置的一個(gè)電極，另一個(gè)電極從金屬片上引出。

1.4?發(fā)電部分總體排布

壓電振子最主要的功能就是能量轉(zhuǎn)換，因?yàn)橥饧幼饔昧Q定發(fā)電能力，所以利用提高外加作用力的方式來提高壓電效率。本產(chǎn)品采用如下結(jié)構(gòu)進(jìn)行力的放大，以實(shí)現(xiàn)壓電效率的提高，如圖4所示。

1.5?穩(wěn)電集電部分

壓電能量收集技術(shù)是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生電能。壓電能量的收集裝置結(jié)構(gòu)是也本產(chǎn)品的研究重點(diǎn)之一。本產(chǎn)品的壓電能量收集裝置具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，無電磁干擾、易于加工制作的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)取暖器在使用過程中持續(xù)發(fā)電，需要對壓電陶瓷產(chǎn)生的交流電進(jìn)行處理。首先，利用整流電路將壓電陶瓷振動(dòng)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但此時(shí)的波形并不穩(wěn)定，需要進(jìn)一步進(jìn)行濾波，接下來利用穩(wěn)壓裝置將濾波后的易突變電壓進(jìn)行穩(wěn)定，經(jīng)過處理后的電流最終被送入存儲(chǔ)電路中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)電集電。整流濾波電路如圖5所示。

倍壓整流電路可以將較低的交流電利用耐壓較高的整流作用，將電壓儲(chǔ)存在各自的電容上，然后按極性相加的原理串接起來，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路輸出的直流電壓波形還不夠好，因此需要濾波電路進(jìn)行濾波以減小輸出電壓的紋波。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用四倍壓整流電路，其電路上電容還起到濾波的作用，因此兼具整流和濾波的作用。

針對直流升壓電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇ME2111穩(wěn)壓芯片，它是一款高效率同步整流升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，只需要三個(gè)外圍器件（兩個(gè)電容，一個(gè)電感）。它的啟動(dòng)電壓低，0.95V以上就可以工作，效率達(dá)到94%。

將電流進(jìn)行整流濾波、升壓后需要將電能儲(chǔ)存起來即能量儲(chǔ)存模塊。本產(chǎn)品采用HM4601芯片作為主控芯片，HM4601通過恒壓控制環(huán)和恒流控制環(huán)來調(diào)整鋰電池充電電壓和恒流充電電流，同時(shí)還集成了溫度保護(hù)、最大充電時(shí)間限制、輸出短路功能。

1.6?控溫部分

控溫裝置是針對于發(fā)熱層產(chǎn)生的熱量進(jìn)行調(diào)整控制的裝置，也是該款取暖器的重點(diǎn)設(shè)計(jì)之一。

通過發(fā)電、穩(wěn)電集電部分的電流作用于發(fā)熱層，使其達(dá)到一定的溫度可供人們?nèi)∨?，但是此時(shí)的溫度并不是最適合人體的舒適溫度，并且不在可控范圍內(nèi)的溫度也會(huì)對人體造成傷害，例如低溫燙傷等。為解決這類問題，本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)置控溫裝置，通過調(diào)節(jié)溫度控制器來控制上下限溫度，當(dāng)發(fā)熱材料表面任意一點(diǎn)溫度達(dá)到上限溫度60℃時(shí)，溫度探頭感應(yīng)到信號(hào)將其反饋給溫控器，溫控器減小輸出電流，從而使溫度下降;當(dāng)溫度下降到下限溫度40℃時(shí)，溫度探頭反饋信號(hào)給溫控器使其增大電流，從而使溫度升高。通過這種信號(hào)反饋調(diào)節(jié)輸出電流來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

由于人體長時(shí)間接觸高于體溫的溫度會(huì)產(chǎn)生低溫燙傷的情況，所以我們采用耐熱層樹脂包裹發(fā)熱層線芯，在便攜式取暖器的最外層，也會(huì)采用絨布隔開皮膚和發(fā)熱部分，避免低溫燙傷。

2?結(jié)束語

目前市場上的取暖器主要有兩種，其一是利用電能加熱液體的取暖包，二是利用礦物質(zhì)發(fā)熱的一次性取暖包。但這兩種取暖包使用的舒適度低，便利性差，已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者的需求。而本次我們設(shè)計(jì)的這款自發(fā)電可控溫便攜式取暖器利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)了無源供電功能，內(nèi)置的控溫裝置對發(fā)熱溫度進(jìn)還避免了當(dāng)前普通取暖包會(huì)產(chǎn)生灼熱感和低溫燙傷等問題。此外本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用了壓電陶瓷這一清潔能源，綠色環(huán)保，符合節(jié)能減排的理念，也積極地響應(yīng)了國家低碳環(huán)保的號(hào)召。

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