一种基于自发电温控杯的设计

摘 要：本文设计了一种基于自发电的温控杯。通过设置于杯盖圆柱槽中的导电静指针和导电滑动刷分别连接杯盖上的p型半导体与n型半导体，通过导电滑动刷切割磁体产生磁场，从而产生电动势。杯盖产生的电动势通过杯体中的半导体传导至杯底上的导体块，基于珀耳帖效应，导体块根据导电滑动刷旋转的方向加热或者冷却杯子的内衬，从而实现杯内温度的调节。

关键词：自发电；温控杯；珀耳贴效应

由于人们工作生活的需要，饮用水通常由便携式温控杯来控制，便携式温控杯由内杯和套杯组成。内杯用于盛放水，套杯用于加热或降温，套杯将内杯完全包围，可以增大水的受热面积，减少所用时间。目前，温控杯中水的温度根据季节选择加热或降温，因此可以把杯子设计为可装套型，那么套杯就分为加热套杯和冰镇套杯，每次使用时装上所需要的套杯。

现有温控杯的加热或者降温电源通常来自外接电源，也有一些采用电池加热的温控杯，但是，无论哪种方式，对于野外旅行来说，都不适用，即使是电池加热也只能使用很短的时间和次数。因此，需要设计一种能够自发电，在野外随时可加热或者降温的温控杯。

本设计温控杯由杯盖1、杯体2和底座3三部分组成。其中，杯盖通过螺纹和杯体连接，杯体和底座采用活动连接方式或固定连接方式连接。如图1所示，本设计的杯盖包括磁体11以及磁体上方的圆柱槽，其中磁体的外侧面为连接螺纹，圆柱槽由p型半导体一12，绝缘连接质13及n型半导体一14组成，p型半导体一和n型半导体一之间通过绝缘连接质连接固定，在p型半导体一和n型半导体一的内侧壁上设置导电环18，在圆柱槽的中心绝缘连接质上设置导电柱体16，导电静指针15固定连接在n型半导体一内侧的导电环与导电柱体之间，导电滑动刷17的一端通过滚动轴承19连接在导电柱体上，导电滑动刷的另一端与导电环内侧滑动连接；磁体11产生的空间磁场分布在整个杯盖周围，当顺时针或逆时针方向移动导电滑动刷时，导电滑动刷切割磁力线，当导电滑动刷在p型半导体一所在的导电环内滑动时，通过p型半导体一，导电滑动刷，导电静指针，n型半导体一形成开路，在p型和n型半导体之间产生感动电动势，并且随着导滑动刷的移动方向相反，产生电动势的极性相反；当导电滑动刷在n型半导体一内移动时，导电滑动刷，导电环，导电静指针形成回路，不会对外产生电动势。

如图2所示，所述杯体2包括盛装液体的内衬21以及外筒，所述外筒包括p型半导体二23、n型半导体二24以及连接固定p型半导体二和n型半导体二的绝缘介质22。所述底座由导体块和绝热块组成（见图3）。当杯盖、杯体和底座装配后，杯盖上的p型半导体一和n型半导体一分别对应杯体上的p型半导体二、n型半导体二对应连接，杯体上的p型半导体二、n型半导体二通过导体快连接并导通，绝缘连接质和绝缘介质对应连接，位置不对应度小于绝缘连接质的宽度。并且当导电滑动刷在p型半导体一的内侧导电环内侧滑动时，p型半导体二、p型半导体一，导电滑动刷，导电静指针，n型半导体一、n型半導体二，导体块共同构成了导电回路，该导电回路电动势方向取决于导电滑动刷的转动方向。

图4所示为珀耳帖效应示意图，当n型半导体42与p型半导体44放置在两个导体41与43之间，当电流方向是从n型半导体到p型半导体时，导体43的温度会降低。而当电流方向相反时，导体43的温度会升高。

根据图4所示珀耳帖效应，当导电滑动刷顺时针转动时，电流方向是从n型半导体到p型半导体，导体块温度降低，对杯内液体进行降温，反之，导电滑动刷逆时针转动时，电流为从p型半导体到n型半导体，导体块温度升高，对杯内液体进行加热。

本设计所述温控杯结构精巧、操控简便，可以在不附加任何外电源的情况下实现水杯内液体加热或者冷却，特别适于野外环境使用。

参考文献：

[1]刘彬，李岩，张福元，曲帅帅.新型多功能水杯，物联网技术，2014（11）11.

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[3]贾阳，任德鹏.温差发电器中热电材料物性的影响分析.电源技术，2008，32（4）252.

[4]高远，李杏英，蒋玉思，王求新.半导体制冷材料的发展，材料研究与应用，2003，13（1）3436.

作者简介：武大为（2001），男，克山县第一中学。