便携式多功能冷热杯的设计与研究

李宏星 邱水洲 梁政 黎巧兴 温建平

【摘  要】论文研究了一种具有制冷、制热、测温、照明、充电等多功能的便携式冷热杯。这种便携式多功能冷热杯实现主动式控温，可根据使用者的需要调节温度，无需外接电源，可便携使用，因此具有广阔的使用前景。

【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.

【关键词】多功能;冷热杯;双向控温

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

【中图分类号】TS973.23                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）08-0168-03

1 引言

智能和多功能的产品在市场上一直都是深受大众喜爱的产品，拥有良好的市场前景。保温杯作为生活中常见的饮用容器，若能使其智能并赋予其别的功能，将会打开保温杯新技术、新功能的大门。传统的保温杯一般只有保温功能，保温方式为被动式保温，保温效果十分依赖真空层的真空度。使用一段时间后真空度及保温效果会有所下降，也不能随意调节温度，难以满足人们多样性的需求。

2019年11月25日对嘉应学院年龄在18～22岁的大学生进行问卷调查，发出150份问卷，收回130份问卷，回收率87%。调查问卷结果显示：93%的人选择拥有一个多功能的保温杯。对于保温杯功能要求中，86%的人希望保温杯具有制冷加热的功能，91%的人希望能够控制和显示保温杯的温度。由此可见，可制冷加热、控温、显温的保温杯具有更高的受欢迎度。

项目团队研究的便携式多功能冷热杯与传统保温杯、55度杯相比具有更多的功能，不但能够实现主动式保温，还能根据使用者的需要调节温度，设计具有个性化。同时，与车载冷热杯相比，它不受外接电源的限制，能够随时随地便携使用。便携式多功能冷热杯具有多种功能组成为一体，能够很好地满足人们日常生活需求。

2 市面上保温杯的现状

现今市面上的保温杯按保温方式不同主要分为三类，分别为传统保温杯、车载冷热杯以及55度杯，不同的种类的保温杯所附带的功能不同。普通传统保温杯一般只有保温功能，部分保温杯会在保温的基础上添加测温、显温功能。车载冷热杯具备加热、制冷及控温功能，能根据需求调控温度。55度杯则是具有快速降温和保温功能。

2.1 传统保温杯

传统保温杯是三类保温杯中销售占比最大的一类，其保温方式为被动式保温。虽然现今部分传统保温杯在保温功能的基础上增加了测温功能，但总体来说功能还是比较单一，它主要是通过在内壁和外壁之间的间隙抽成真空，并在内壁上镀一层镜面涂层或者直接用高反光材料制作内壁的方式，使内壁的热量难以通过热传导的方式散失，阻止了能量的损失，从而达到保温的目的。这种保温效果几乎不能满足人们的需要，水温的变化只能通过缓慢的热传递逐渐的降低，温度变化缓慢，且降温过程不可逆，无法长时间维持使用者所需的温度。使用者若想在较长时间后喝到一口温水，则需在一开始放入较高温度的水，这导致了短时间内保温杯中的水温就要比较高，不适合使用者饮用。

2.2 车载冷热杯

车载冷热杯的保温方式为主动式保温，通过连接电源持续输出电流对杯子进行加热或制冷，将杯中温度维持在一个范围，从而达到保温的效果。车载冷热杯要实现其功能就要对使用环境有限制，要求使用者必须要在外接电源的情况下才能使用，如汽车内，室内有电源的固定位置等，不符合便携的要求。

2.3 55度杯

55度杯的保温方式为半主动式保温，它需要在一开始就放入温度较高的水，通过摇晃杯体，使杯体中特殊的化学物质发生相变从而把水的热量转化为化学物质中的化学能。当杯中的水温降到一定温度后，这种化学物质就把化学能转化为热能让水维持在一定的温度，从而达到了保温的目的。55度杯虽然能快速降温，但其所降温度为一个固定值，即温度只能降到55度，不可以随意调控、也不具备双向控温功能。

总的来说，市面上各种功能类型的保温杯都有，但是集保温、测温、双向控温、充电、照明为一体的多功能保温杯在市场存在空白。市场上销售的多功能保温杯大多是车载型冷热杯，或者是只能单方面制热的控温杯。多功能保温杯的功能不但不全面，而且价格比较昂贵，而便携式多功能冷热杯因为适合各年龄段的消费者，所以市场需求量也較为庞大，市场前景广阔。

3 便携式多功能冷热杯的设计

3.1 控温系统设计

3.1.1 HT-07104半导体制冷片

设计选取HT-07104半导体制冷片作为制冷加热的材料。该制冷片元件对数71，最大电压8.6V，最大电流4.1A，最大温差可达68℃，在散热良好的情况下制冷量可达19.4W。半导体制冷片不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源，没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件，是一种绿色安全的固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。而由于半导体制冷片具有帕尔贴效应，即当直流电通过两种导电性能不同的材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，属于温差电效应的一种，在日常生活中应用于空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。

通过改变电流的方向，可以转换半导体制冷片的冷端和熱端，所以半导体制冷片同时具有两种功能，即既能实现制冷，又能实现加热。制冷效率虽然不高，但制热效率很高，永远大于1，所以半导体制冷片绝佳的制冷加热材料。将半导体制冷片镶嵌在内胆上，通过对输入电流的控制，可实现对温度的高精度控制，再加上温度检测和控制手段，可组成自动控制系统实现智能控温。

3.1.2 散热系统

在制冷时，制冷片冷端的热量由于帕尔贴效应传递到制冷片热端，导致冷端的温度低于内胆中水的温度，使制冷片冷端于内胆中的水形成温度差，迫使内胆中的水与制冷片冷端产生热传递，即把水的热量传递到制冷片冷端上，从而实现降温效果。半导体制冷片的制冷效率取决于电源功率与制冷片冷热端的温差大小，而良好的散热可以减少制冷片冷热端的温差。因此，制冷片热端的散热效果对制冷效果十分重要。

便携式多功能冷热杯结构图如图1所示，散热系统位于结构图的隔热板到内胆之间。设计采用强迫对流实现空气制冷，半导体制冷片的一面涂抹导热膏薄层与内胆粘合在一起加大导热效率，半导体制冷片的另一面同样抹导热膏薄层与散热鳍片粘贴在一起增大散热面积，散热鳍片选取热导率为401W/mk的铜作为散热材料，在散热鳍片下端连接一个5W功率的微型风扇用于加快空气流动。制冷系统工作时，如图2所示，通过散热风扇加快进风口和出风口的空气流动速度，加快通过散热鳍片空气的流动速度，形成固定的风路，使散热系统形成外循环并把散热鳍片的热量排出瓶外，从而加快制冷片热端的散热，减少与制冷片冷端的温差，提高制冷效率。

3.1.3 控制电路

控制电路如图3所示，8.6V直流电源供电，当电源开关①闭合时，电流触发继电器②使常开的负载回路连通，半导体⑦开始制冷或加热。③是温度传感器，④是预先定标好电阻的变阻器。通过按键或旋钮预设好温度后，温度传感器③测量温度电流电压数据与定标电阻预设温度电压电流在运算放大器⑤中进行比较，当③的测得的温度大于预设温度阈值，运算放大器⑤输出电流到使常闭继电器⑥断开，供电电路断路。选择加热时，当液体温度高于预设温度时会使电路自动断电，当液体温度低于预设温度时会使电路自动通电;选择制冷时，当液体温度低于预设温度时会使电路自动断电，当液体温度高于预设温度时会使电路自动通电，起到既控温又保温的效果。

3.2 多功能设计

概念图如图4所示，图中展示了该设计的外观与各项功能。

通过精度为0.1℃的温度传感器把水的温度数据实时显示在LCD显示屏上。温度传感器位于内胆外沿，与内胆紧贴，测温数据由电信号转换成数字信号显示在位于杯子外壳的LCD智能数字显示屏上，显示屏采用触摸触发式背光设计，方便黑暗环境下的使用。

杯子底部放一个容量为9800mA，最大电压8.6V，最大电流4.1A的锂电池，为制冷、加热、测温、照明提供电源。在电池周围加一些缓冲物质，电池上方设计一个隔热层，杯身外壳上设计充电和放电插口，同时把电池的电量信息显示在LCD显示屏上。

杯身外壁下侧安装内嵌式LED灯，通过杯盖与电源相连，由电容式感应触摸开关按键控制和调节亮度。通过与控制电路连接可实现三档亮度调节。

电容式感应触摸开关分为“上一项”“下一项”“确定”“返回”等功能性按键，对用户功能界面中的内容进行切换、执行、取消等操作，而上下键可以实现精确调温，满足客户个性化的控温需求。还可通过人机交互界面实现“查看电量”“喝水提醒”“开启LED灯”“查看工作剩余时间”等多样化的功能。

4 结语

综上所述，市面上急需一款保温、测温、双向控温、充电、照明为一体的保温杯，而本文设计的便携式多功能冷热杯恰好能填补这一市场空白。此保温杯具有的功能多样且较全面，充分地考虑并满足使用者的多样性需求，不再是单纯的液体装载容器。因其具有内置电源，可便携使用。而其用来加热制冷的半导体制冷片不需要任何制冷剂，所以该设计也是一款绿色产品。因此，绿色安全、多功能的便携式多功能冷热杯很有希望能够在众多的功能杯中脱颖而出。

【参考文献】

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