按摩椅加熱技術(shù)的研究和應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】按摩椅；加熱技術(shù)；原理；安全性

引言

按摩椅作為一種舒緩身心疲勞的產(chǎn)品，已經(jīng)成為現(xiàn)代人日常生活中不可或缺的一部分。其中，加熱功能作為一項重要的功能之一，對用戶的舒適感和按摩效果具有至關(guān)重要的影響。因此，研究和應(yīng)用按摩椅加熱技術(shù)具有重要的實際意義。

一、按摩椅加熱技術(shù)的原理

按摩椅加熱技術(shù)主要基于電熱元件和控制系統(tǒng)。電熱元件通常采用碳纖維發(fā)熱片、銅鎳合金線、PTC等材料，都是通過電阻發(fā)熱產(chǎn)生熱能，熱能通過隔離層進行熱量傳遞，從而實現(xiàn)對人體進行加熱?？刂葡到y(tǒng)則通過溫度傳感器和控制器對加熱過程進行實時監(jiān)測和閉環(huán)控制，加熱的裝置中溫度傳感器一般都是采用性價比較高的NTC，NTC會根據(jù)溫度的變化呈反比例的變化，每一個溫度對應(yīng)不同的電阻阻值，不同電阻阻值對應(yīng)不同的電壓值，不同的電壓值再傳遞控制器中的MCU，MCU檢測到溫度的變化與預(yù)先設(shè)定的溫度進行對比，當(dāng)溫度低于預(yù)先設(shè)定的溫度值時，就打開加熱開關(guān)繼續(xù)加熱，直至達到預(yù)先設(shè)定的溫度；當(dāng)溫度等于或者超過預(yù)先設(shè)定的溫度值時，就關(guān)閉加熱開關(guān)，關(guān)閉加熱，實現(xiàn)恒溫加熱。加熱裝置中一般還會有溫度控制開關(guān)，以保證加熱效果和安全性。按摩椅一些低成本加熱電路相對較為簡單，僅有一個MOS管[1]驅(qū)動即可，無需多余的外圍配置電路見圖1，隨著客戶對于按摩椅加熱感受的提高，相對應(yīng)的加熱電路也變得越來越復(fù)雜，一些高端產(chǎn)品還使用了芯片控制的方案，芯片內(nèi)集成了過流保護、過壓保護、欠壓保護和短路保護等等，當(dāng)出現(xiàn)故障時會通過nfault腳輸出低電平給MCU，當(dāng)MCU檢測到此信號后，給nENBL使能引腳發(fā)送低電平，關(guān)斷芯片的輸出，從而停止加熱。大幅提升了加熱功能的安全性和穩(wěn)定性。加熱電路[2]見圖2。

（一）碳纖維發(fā)熱片，一般使用在披風(fēng)和小腿加熱位置，主要用于背部、膝蓋和小腿的加熱。這是目前按摩椅市場上最為普遍的加熱材料，也是技術(shù)最為成熟的加熱材料，這種加熱材料相對成本較低，但是加熱效率也比較低，會有加熱不均勻的情況，并且安全系數(shù)也不高。

加熱數(shù)據(jù)如下：

表1 碳纖維發(fā)熱片加熱數(shù)據(jù)表

（二）石墨烯是一種單層碳原子構(gòu)成的二維材料，當(dāng)石墨烯加熱元件通過電流通電時，石墨烯中的自由電子會受到電場的驅(qū)動，進而進行運動和碰撞，從而產(chǎn)生熱能。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和熱傳導(dǎo)性，可以快速傳輸電能和熱能，實現(xiàn)快速而高效的加熱過程；能夠提供均勻的加熱效果，避免局部溫度過熱或溫度不足的情況。石墨烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，能夠在高溫和復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定性和長壽命。

加熱數(shù)據(jù)如下：

表2 石墨烯發(fā)熱片加熱數(shù)據(jù)表

（三）銅鎳合金線一般用于腳底滾輪加熱。銅鎳合金線是一種電阻合金，具有較高的電阻率和較高的電阻溫度系數(shù)。當(dāng)電流通過銅鎳合金線時，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。銅鎳合金線的電阻值隨溫度的變化而變化，因此可以通過調(diào)節(jié)電流來控制加熱溫度。銅鎳合金線具有良好的耐高溫性能，能夠在較高溫度下工作，保持穩(wěn)定性和長壽命。關(guān)鍵還可以根據(jù)需要定制不同的形狀和尺寸，適應(yīng)不同的加熱場景應(yīng)用，銅鎳合金線一般功率較高，設(shè)計者在使用時要充分考慮按摩椅的供電功率。目前市場上電路設(shè)計有多種做法，一種是直接MOS管作為開關(guān)管，直接加熱，不能進行精準(zhǔn)溫控；一種是使用圖騰柱電路實現(xiàn)PWM調(diào)溫，可以進行精準(zhǔn)的溫控加熱，但是也缺乏必要的安全防護；還有一種是芯片控制，既可以實現(xiàn)PWM調(diào)溫，進行精準(zhǔn)溫度控制，還有過流、過壓、欠壓和短路等多重安全防護，增加按摩椅的安全性。

加熱數(shù)據(jù)如下：

表3 銅鎳合金線加熱數(shù)據(jù)表

（四）PTC加熱一般用于按摩椅的機芯按摩球的加熱，用于背部和頸部的加熱，可以有效促進血液流動。PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱是一種特殊的加熱技術(shù)，核心是PTC材料，它是一種具有正溫度系數(shù)特性的半導(dǎo)體材料。當(dāng)電流通過PTC材料時，隨著溫度的升高，PTC材料的電阻值會急劇增加，從而產(chǎn)生熱能。這種正溫度系數(shù)特性使得PTC加熱元件能夠自動調(diào)節(jié)加熱功率，實現(xiàn)穩(wěn)定的加熱效果。PTC加熱元件具有自恢復(fù)功能，當(dāng)溫度升高導(dǎo)致電阻增加時，電流自動減小，從而使溫度保持在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免過熱和損壞。PTC加熱具有較好的溫度穩(wěn)定性，能夠在一定的溫度范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定的加熱功率，滿足不同的加熱需求。

加熱數(shù)據(jù)如下：

表4 PTC加熱數(shù)據(jù)表

二、按摩椅加熱技術(shù)的安全性

在研究和應(yīng)用按摩椅加熱技術(shù)時，安全性是至關(guān)重要的考慮因素。以下是一些常見的安全性考慮：

（一）溫度控制：按摩椅加熱功能應(yīng)具備溫度控制系統(tǒng)，可以利用溫度傳感器采集加熱溫度，并傳遞給溫度控制系統(tǒng)的MCU，實時監(jiān)測加熱溫度，并保持在安全范圍內(nèi)。

（二）溫度均勻性：加熱功能應(yīng)提供均勻的加熱效果，避免出現(xiàn)局部過熱或溫度不足的情況。確保整個加熱區(qū)域的溫度分布均勻，以提供舒適和安全的按摩體驗。

（三）安全材料：選擇合適的加熱元件和材料，確保其安全性和耐用性。常用的加熱元件包括碳纖維發(fā)熱片、石墨烯發(fā)熱片，銅鎳合金線，PTC發(fā)熱片等，這些材料都需要經(jīng)過嚴格的測試和認證，確保無毒、無害、耐高溫、阻燃等特性。

（四）過熱保護：加熱功能應(yīng)配備過熱保護裝置，當(dāng)溫度超過安全范圍時，自動停止加熱，以防止意外事故發(fā)生。常用的是過熱保護裝置有溫度開關(guān)，當(dāng)溫度超過溫度開關(guān)的設(shè)定溫度后，就會斷開加熱回路，加熱元件停止加熱，防止溫度過高造成燙傷。當(dāng)溫度開關(guān)失效時，加熱控制系統(tǒng)根據(jù)加熱控制邏輯停止加熱元件工作。同時在加熱電路中也要增加PTC和過流檢測，當(dāng)上述裝置全部失效時，PTC能夠自動切斷加熱回路，停止加熱。避免造成不可挽回的損失。

（五）安全設(shè)計：加熱元件可以被放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，或者通過隔熱材料進行保護，以確保用戶的安全。并且隔離材料要做到耐高溫，阻燃[3]，甚至更高的防火要求。按摩椅的加熱技術(shù)應(yīng)符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和認證要求，例如：國際質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)體系ISO9001和ISO13485，以及國家家用電器安全通用要求GB4706.1等。這些體系和要求能夠確保按摩椅的加熱技術(shù)符合安全和質(zhì)量要求。

（六）使用說明：按摩椅應(yīng)提供詳細的使用說明書和安全警示，提示用戶正確使用加熱功能，并提供必要的安全建議和注意事項。在發(fā)生過熱或者加熱部件損壞時，能夠及時提示用戶故障信息。

三、按摩椅加熱技術(shù)的改進和優(yōu)化方向

為了進一步改進和優(yōu)化按摩椅加熱技術(shù)，可以從以下幾個方面進行研究和探索：

（一）優(yōu)化加熱元件的結(jié)構(gòu)和材料，提高加熱效率和舒適度

淘汰目前市場上較為落后的，發(fā)熱效率低下，安全系數(shù)差的碳纖維加熱片，能夠全面導(dǎo)入石墨烯加熱片，加熱均勻，并且加熱速度快，安全系數(shù)還高，這樣可以有效地降低石墨烯加熱片的整體成本，給用戶提供更舒適的感受，提供更實惠的價格。

（二）改進控制系統(tǒng)的算法和參數(shù)設(shè)置，提高溫度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

提升控制系統(tǒng)溫度采集的頻次，引進PID調(diào)溫方案，實現(xiàn)精準(zhǔn)的閉環(huán)控溫；優(yōu)化算法，在保證快速加熱，并且不影響客戶體驗舒適度的情況下，降低整機按摩椅的功率。

（三）引入智能化技術(shù)，提升控制系統(tǒng)的安全系數(shù)，確保加熱功能的安全性

淘汰反應(yīng)遲鈍的PTC電流防護，更換更加高效的集成電路，能夠融入過流保護、過壓保護、過溫保護；還要注意加熱系統(tǒng)的抗靜電能力，實現(xiàn)真正安全可靠的加熱控制，防止對用戶造成高溫燙傷，低溫燙傷甚至火災(zāi)的發(fā)生。

結(jié)論

按摩椅加熱作為一項重要的功能，對用戶的舒適感和按摩效果具有重要的影響，甚至對亞健康疾病還有一定的康復(fù)作用。通過對現(xiàn)有技術(shù)的綜述和分析，我們可以發(fā)現(xiàn)加熱技術(shù)和加熱材料在提高用戶體驗和安全性方面還有進一步的改進空間。因此我們需要繼續(xù)深入研究和探索，以進一步優(yōu)化和改進按摩椅加熱技術(shù)，引進加熱效率更高、加熱安全性更好的加熱材料，為用戶提供更好的加熱按摩體驗。（下轉(zhuǎn)86頁）