便攜式多功能冷熱杯的設計與研究

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現主動式控溫，可根據使用者的需要調節溫度，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】TS973.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0168-03

1 引言

智能和多功能的產品在市場上一直都是深受大眾喜愛的產品，擁有良好的市場前景。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，將會打開保溫杯新技術、新功能的大門。傳統的保溫杯一般只有保溫功能，保溫方式為被動式保溫，保溫效果十分依賴真空層的真空度。使用一段時間后真空度及保溫效果會有所下降，也不能隨意調節溫度，難以滿足人們多樣性的需求。

2019年11月25日對嘉應學院年齡在18～22歲的大學生進行問卷調查，發出150份問卷，收回130份問卷，回收率87%。調查問卷結果顯示：93%的人選擇擁有一個多功能的保溫杯。對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。

項目團隊研究的便攜式多功能冷熱杯與傳統保溫杯、55度杯相比具有更多的功能，不但能夠實現主動式保溫，還能根據使用者的需要調節溫度，設計具有個性化。同時，與車載冷熱杯相比，它不受外接電源的限制，能夠隨時隨地便攜使用。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日常生活需求。

2 市面上保溫杯的現狀

現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。普通傳統保溫杯一般只有保溫功能，部分保溫杯會在保溫的基礎上添加測溫、顯溫功能。車載冷熱杯具備加熱、制冷及控溫功能，能根據需求調控溫度。55度杯則是具有快速降溫和保溫功能。

2.1 傳統保溫杯

傳統保溫杯是三類保溫杯中銷售占比最大的一類，其保溫方式為被動式保溫。雖然現今部分傳統保溫杯在保溫功能的基礎上增加了測溫功能，但總體來說功能還是比較單一，它主要是通過在內壁和外壁之間的間隙抽成真空，并在內壁上鍍一層鏡面涂層或者直接用高反光材料制作內壁的方式，使內壁的熱量難以通過熱傳導的方式散失，阻止了能量的損失，從而達到保溫的目的。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，無法長時間維持使用者所需的溫度。使用者若想在較長時間后喝到一口溫水，則需在一開始放入較高溫度的水，這導致了短時間內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式保溫，通過連接電源持續輸出電流對杯子進行加熱或制冷，將杯中溫度維持在一個范圍，從而達到保溫的效果。車載冷熱杯要實現其功能就要對使用環境有限制，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，室內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物質發生相變從而把水的熱量轉化為化學物質中的化學能。當杯中的水溫降到一定溫度后，這種化學物質就把化學能轉化為熱能讓水維持在一定的溫度，從而達到了保溫的目的。55度杯雖然能快速降溫，但其所降溫度為一個固定值，即溫度只能降到55度，不可以隨意調控、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、測溫、雙向控溫、充電、照明為一體的多功能保溫杯在市場存在空白。市場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，而且價格比較昂貴，而便攜式多功能冷熱杯因為適合各年齡段的消費者，所以市場需求量也較為龐大，市場前景廣闊。

3 便攜式多功能冷熱杯的設計

3.1 控溫系統設計

3.1.1 HT-07104半導體制冷片

設計選取HT-07104半導體制冷片作為制冷加熱的材料。該制冷片元件對數71，最大電壓8.6V，最大電流4.1A，最大溫差可達68℃，在散熱良好的情況下制冷量可達19.4W。半導體制冷片不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源，沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種綠色安全的固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。而由于半導體制冷片具有帕爾貼效應，即當直流電通過兩種導電性能不同的材料構成的回路時，結點上將產生吸熱或放熱現象，屬于溫差電效應的一種，在日常生活中應用于空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱等。

通過改變電流的方向，可以轉換半導體制冷片的冷端和熱端，所以半導體制冷片同時具有兩種功能，即既能實現制冷，又能實現加熱。制冷效率雖然不高，但制熱效率很高，永遠大于1，所以半導體制冷片絕佳的制冷加熱材料。將半導體制冷片鑲嵌在內膽上，通過對輸入電流的控制，可實現對溫度的高精度控制，再加上溫度檢測和控制手段，可組成自動控制系統實現智能控溫。

3.1.2 散熱系統

在制冷時，制冷片冷端的熱量由于帕爾貼效應傳遞到制冷片熱端，導致冷端的溫度低于內膽中水的溫度，使制冷片冷端于內膽中的水形成溫度差，迫使內膽中的水與制冷片冷端產生熱傳遞，即把水的熱量傳遞到制冷片冷端上，從而實現降溫效果。半導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制冷效果十分重要。

便攜式多功能冷熱杯結構圖如圖1所示，散熱系統位于結構圖的隔熱板到內膽之間。設計采用強迫對流實現空氣制冷，半導體制冷片的一面涂抹導熱膏薄層與內膽粘合在一起加大導熱效率，半導體制冷片的另一面同樣抹導熱膏薄層與散熱鰭片粘貼在一起增大散熱面積，散熱鰭片選取熱導率為401W/mk的銅作為散熱材料，在散熱鰭片下端連接一個5W功率的微型風扇用于加快空氣流動。制冷系統工作時，如圖2所示，通過散熱風扇加快進風口和出風口的空氣流動速度，加快通過散熱鰭片空氣的流動速度，形成固定的風路，使散熱系統形成外循環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，當電源開關①閉合時，電流觸發繼電器②使常開的負載回路連通，半導體⑦開始制冷或加熱。③是溫度傳感器，④是預先定標好電阻的變阻器。通過按鍵或旋鈕預設好溫度后，溫度傳感器③測量溫度電流電壓數據與定標電阻預設溫度電壓電流在運算放大器⑤中進行比較，當③的測得的溫度大于預設溫度閾值，運算放大器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，當液體溫度高于預設溫度時會使電路自動斷電，當液體溫度低于預設溫度時會使電路自動通電;選擇制冷時，當液體溫度低于預設溫度時會使電路自動斷電，當液體溫度高于預設溫度時會使電路自動通電，起到既控溫又保溫的效果。

3.2 多功能設計

概念圖如圖4所示，圖中展示了該設計的外觀與各項功能。

通過精度為0.1℃的溫度傳感器把水的溫度數據實時顯示在LCD顯示屏上。溫度傳感器位于內膽外沿，與內膽緊貼，測溫數據由電信號轉換成數字信號顯示在位于杯子外殼的LCD智能數字顯示屏上，顯示屏采用觸摸觸發式背光設計，方便黑暗環境下的使用。

杯子底部放一個容量為9800mA，最大電壓8.6V，最大電流4.1A的鋰電池，為制冷、加熱、測溫、照明提供電源。在電池周圍加一些緩沖物質，電池上方設計一個隔熱層，杯身外殼上設計充電和放電插口，同時把電池的電量信息顯示在LCD顯示屏上。

杯身外壁下側安裝內嵌式LED燈，通過杯蓋與電源相連，由電容式感應觸摸開關按鍵控制和調節亮度。通過與控制電路連接可實現三檔亮度調節。

電容式感應觸摸開關分為“上一項”“下一項”“確定”“返回”等功能性按鍵，對用戶功能界面中的內容進行切換、執行、取消等操作，而上下鍵可以實現精確調溫，滿足客戶個性化的控溫需求。還可通過人機交互界面實現“查看電量”“喝水提醒”“開啟LED燈”“查看工作剩余時間”等多樣化的功能。

4 結語

綜上所述，市面上急需一款保溫、測溫、雙向控溫、充電、照明為一體的保溫杯，而本文設計的便攜式多功能冷熱杯恰好能填補這一市場空白。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。因其具有內置電源，可便攜使用。而其用來加熱制冷的半導體制冷片不需要任何制冷劑，所以該設計也是一款綠色產品。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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