便攜式多功能冷熱杯的設(shè)計(jì)與研究

李宏星 邱水洲 梁政 黎巧興 溫建平

【摘? 要】論文研究了一種具有制冷、制熱、測(cè)溫、照明、充電等多功能的便攜式冷熱杯。這種便攜式多功能冷熱杯實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式控溫，可根據(jù)使用者的需要調(diào)節(jié)溫度，無需外接電源，可便攜使用，因此具有廣闊的使用前景。

【Abstract】This paper studies a kind of portable cooling and heating cup with refrigeration， heating， temperature measurement， lighting， charging and other functions. This kind of portable multi-function cooling and heating cup realizes active temperature control， and can adjust the temperature according to the needs of users， and it doesnt need external power supply， and it can be used portable， so it has a broad application prospect.

【關(guān)鍵詞】多功能;冷熱杯;雙向控溫

【Keywords】multifunction; cooling and heating cup ; two-way temperature control

【中圖分類號(hào)】TS973.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）08-0168-03

1 引言

智能和多功能的產(chǎn)品在市場(chǎng)上一直都是深受大眾喜愛的產(chǎn)品，擁有良好的市場(chǎng)前景。保溫杯作為生活中常見的飲用容器，若能使其智能并賦予其別的功能，將會(huì)打開保溫杯新技術(shù)、新功能的大門。傳統(tǒng)的保溫杯一般只有保溫功能，保溫方式為被動(dòng)式保溫，保溫效果十分依賴真空層的真空度。使用一段時(shí)間后真空度及保溫效果會(huì)有所下降，也不能隨意調(diào)節(jié)溫度，難以滿足人們多樣性的需求。

2019年11月25日對(duì)嘉應(yīng)學(xué)院年齡在18～22歲的大學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，發(fā)出150份問卷，收回130份問卷，回收率87%。調(diào)查問卷結(jié)果顯示：93%的人選擇擁有一個(gè)多功能的保溫杯。對(duì)于保溫杯功能要求中，86%的人希望保溫杯具有制冷加熱的功能，91%的人希望能夠控制和顯示保溫杯的溫度。由此可見，可制冷加熱、控溫、顯溫的保溫杯具有更高的受歡迎度。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究的便攜式多功能冷熱杯與傳統(tǒng)保溫杯、55度杯相比具有更多的功能，不但能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)式保溫，還能根據(jù)使用者的需要調(diào)節(jié)溫度，設(shè)計(jì)具有個(gè)性化。同時(shí)，與車載冷熱杯相比，它不受外接電源的限制，能夠隨時(shí)隨地便攜使用。便攜式多功能冷熱杯具有多種功能組成為一體，能夠很好地滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟆?/p>

2 市面上保溫杯的現(xiàn)狀

現(xiàn)今市面上的保溫杯按保溫方式不同主要分為三類，分別為傳統(tǒng)保溫杯、車載冷熱杯以及55度杯，不同的種類的保溫杯所附帶的功能不同。普通傳統(tǒng)保溫杯一般只有保溫功能，部分保溫杯會(huì)在保溫的基礎(chǔ)上添加測(cè)溫、顯溫功能。車載冷熱杯具備加熱、制冷及控溫功能，能根據(jù)需求調(diào)控溫度。55度杯則是具有快速降溫和保溫功能。

2.1 傳統(tǒng)保溫杯

傳統(tǒng)保溫杯是三類保溫杯中銷售占比最大的一類，其保溫方式為被動(dòng)式保溫。雖然現(xiàn)今部分傳統(tǒng)保溫杯在保溫功能的基礎(chǔ)上增加了測(cè)溫功能，但總體來說功能還是比較單一，它主要是通過在內(nèi)壁和外壁之間的間隙抽成真空，并在內(nèi)壁上鍍一層鏡面涂層或者直接用高反光材料制作內(nèi)壁的方式，使內(nèi)壁的熱量難以通過熱傳導(dǎo)的方式散失，阻止了能量的損失，從而達(dá)到保溫的目的。這種保溫效果幾乎不能滿足人們的需要，水溫的變化只能通過緩慢的熱傳遞逐漸的降低，溫度變化緩慢，且降溫過程不可逆，無法長時(shí)間維持使用者所需的溫度。使用者若想在較長時(shí)間后喝到一口溫水，則需在一開始放入較高溫度的水，這導(dǎo)致了短時(shí)間內(nèi)保溫杯中的水溫就要比較高，不適合使用者飲用。

2.2 車載冷熱杯

車載冷熱杯的保溫方式為主動(dòng)式保溫，通過連接電源持續(xù)輸出電流對(duì)杯子進(jìn)行加熱或制冷，將杯中溫度維持在一個(gè)范圍，從而達(dá)到保溫的效果。車載冷熱杯要實(shí)現(xiàn)其功能就要對(duì)使用環(huán)境有限制，要求使用者必須要在外接電源的情況下才能使用，如汽車內(nèi)，室內(nèi)有電源的固定位置等，不符合便攜的要求。

2.3 55度杯

55度杯的保溫方式為半主動(dòng)式保溫，它需要在一開始就放入溫度較高的水，通過搖晃杯體，使杯體中特殊的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生相變從而把水的熱量轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)中的化學(xué)能。當(dāng)杯中的水溫降到一定溫度后，這種化學(xué)物質(zhì)就把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能讓水維持在一定的溫度，從而達(dá)到了保溫的目的。55度杯雖然能快速降溫，但其所降溫度為一個(gè)固定值，即溫度只能降到55度，不可以隨意調(diào)控、也不具備雙向控溫功能。

總的來說，市面上各種功能類型的保溫杯都有，但是集保溫、測(cè)溫、雙向控溫、充電、照明為一體的多功能保溫杯在市場(chǎng)存在空白。市場(chǎng)上銷售的多功能保溫杯大多是車載型冷熱杯，或者是只能單方面制熱的控溫杯。多功能保溫杯的功能不但不全面，而且價(jià)格比較昂貴，而便攜式多功能冷熱杯因?yàn)檫m合各年齡段的消費(fèi)者，所以市場(chǎng)需求量也較為龐大，市場(chǎng)前景廣闊。

3 便攜式多功能冷熱杯的設(shè)計(jì)

3.1 控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 HT-07104半導(dǎo)體制冷片

設(shè)計(jì)選取HT-07104半導(dǎo)體制冷片作為制冷加熱的材料。該制冷片元件對(duì)數(shù)71，最大電壓8.6V，最大電流4.1A，最大溫差可達(dá)68℃，在散熱良好的情況下制冷量可達(dá)19.4W。半導(dǎo)體制冷片不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源，沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，是一種綠色安全的固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長，安裝容易。而由于半導(dǎo)體制冷片具有帕爾貼效應(yīng)，即當(dāng)直流電通過兩種導(dǎo)電性能不同的材料構(gòu)成的回路時(shí)，結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，屬于溫差電效應(yīng)的一種，在日常生活中應(yīng)用于空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱等。

通過改變電流的方向，可以轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體制冷片的冷端和熱端，所以半導(dǎo)體制冷片同時(shí)具有兩種功能，即既能實(shí)現(xiàn)制冷，又能實(shí)現(xiàn)加熱。制冷效率雖然不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1，所以半導(dǎo)體制冷片絕佳的制冷加熱材料。將半導(dǎo)體制冷片鑲嵌在內(nèi)膽上，通過對(duì)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，可組成自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控溫。

3.1.2 散熱系統(tǒng)

在制冷時(shí)，制冷片冷端的熱量由于帕爾貼效應(yīng)傳遞到制冷片熱端，導(dǎo)致冷端的溫度低于內(nèi)膽中水的溫度，使制冷片冷端于內(nèi)膽中的水形成溫度差，迫使內(nèi)膽中的水與制冷片冷端產(chǎn)生熱傳遞，即把水的熱量傳遞到制冷片冷端上，從而實(shí)現(xiàn)降溫效果。半導(dǎo)體制冷片的制冷效率取決于電源功率與制冷片冷熱端的溫差大小，而良好的散熱可以減少制冷片冷熱端的溫差。因此，制冷片熱端的散熱效果對(duì)制冷效果十分重要。

便攜式多功能冷熱杯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，散熱系統(tǒng)位于結(jié)構(gòu)圖的隔熱板到內(nèi)膽之間。設(shè)計(jì)采用強(qiáng)迫對(duì)流實(shí)現(xiàn)空氣制冷，半導(dǎo)體制冷片的一面涂抹導(dǎo)熱膏薄層與內(nèi)膽粘合在一起加大導(dǎo)熱效率，半導(dǎo)體制冷片的另一面同樣抹導(dǎo)熱膏薄層與散熱鰭片粘貼在一起增大散熱面積，散熱鰭片選取熱導(dǎo)率為401W/mk的銅作為散熱材料，在散熱鰭片下端連接一個(gè)5W功率的微型風(fēng)扇用于加快空氣流動(dòng)。制冷系統(tǒng)工作時(shí)，如圖2所示，通過散熱風(fēng)扇加快進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的空氣流動(dòng)速度，加快通過散熱鰭片空氣的流動(dòng)速度，形成固定的風(fēng)路，使散熱系統(tǒng)形成外循環(huán)并把散熱鰭片的熱量排出瓶外，從而加快制冷片熱端的散熱，減少與制冷片冷端的溫差，提高制冷效率。

3.1.3 控制電路

控制電路如圖3所示，8.6V直流電源供電，當(dāng)電源開關(guān)①閉合時(shí)，電流觸發(fā)繼電器②使常開的負(fù)載回路連通，半導(dǎo)體⑦開始制冷或加熱。③是溫度傳感器，④是預(yù)先定標(biāo)好電阻的變阻器。通過按鍵或旋鈕預(yù)設(shè)好溫度后，溫度傳感器③測(cè)量溫度電流電壓數(shù)據(jù)與定標(biāo)電阻預(yù)設(shè)溫度電壓電流在運(yùn)算放大器⑤中進(jìn)行比較，當(dāng)③的測(cè)得的溫度大于預(yù)設(shè)溫度閾值，運(yùn)算放大器⑤輸出電流到使常閉繼電器⑥斷開，供電電路斷路。選擇加熱時(shí)，當(dāng)液體溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)會(huì)使電路自動(dòng)斷電，當(dāng)液體溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)會(huì)使電路自動(dòng)通電;選擇制冷時(shí)，當(dāng)液體溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)會(huì)使電路自動(dòng)斷電，當(dāng)液體溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)會(huì)使電路自動(dòng)通電，起到既控溫又保溫的效果。

3.2 多功能設(shè)計(jì)

概念圖如圖4所示，圖中展示了該設(shè)計(jì)的外觀與各項(xiàng)功能。

通過精度為0.1℃的溫度傳感器把水的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上。溫度傳感器位于內(nèi)膽外沿，與內(nèi)膽緊貼，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)由電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示在位于杯子外殼的LCD智能數(shù)字顯示屏上，顯示屏采用觸摸觸發(fā)式背光設(shè)計(jì)，方便黑暗環(huán)境下的使用。

杯子底部放一個(gè)容量為9800mA，最大電壓8.6V，最大電流4.1A的鋰電池，為制冷、加熱、測(cè)溫、照明提供電源。在電池周圍加一些緩沖物質(zhì)，電池上方設(shè)計(jì)一個(gè)隔熱層，杯身外殼上設(shè)計(jì)充電和放電插口，同時(shí)把電池的電量信息顯示在LCD顯示屏上。

杯身外壁下側(cè)安裝內(nèi)嵌式LED燈，通過杯蓋與電源相連，由電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)按鍵控制和調(diào)節(jié)亮度。通過與控制電路連接可實(shí)現(xiàn)三檔亮度調(diào)節(jié)。

電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)分為“上一項(xiàng)”“下一項(xiàng)”“確定”“返回”等功能性按鍵，對(duì)用戶功能界面中的內(nèi)容進(jìn)行切換、執(zhí)行、取消等操作，而上下鍵可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)溫，滿足客戶個(gè)性化的控溫需求。還可通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)“查看電量”“喝水提醒”“開啟LED燈”“查看工作剩余時(shí)間”等多樣化的功能。

4 結(jié)語

綜上所述，市面上急需一款保溫、測(cè)溫、雙向控溫、充電、照明為一體的保溫杯，而本文設(shè)計(jì)的便攜式多功能冷熱杯恰好能填補(bǔ)這一市場(chǎng)空白。此保溫杯具有的功能多樣且較全面，充分地考慮并滿足使用者的多樣性需求，不再是單純的液體裝載容器。因其具有內(nèi)置電源，可便攜使用。而其用來加熱制冷的半導(dǎo)體制冷片不需要任何制冷劑，所以該設(shè)計(jì)也是一款綠色產(chǎn)品。因此，綠色安全、多功能的便攜式多功能冷熱杯很有希望能夠在眾多的功能杯中脫穎而出。

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