■江西省贛州中學(xué) 李沁恬

爸爸給我買了個(gè)新水杯，保溫性能特別好。上學(xué)前裝滿一杯熱水，下午放學(xué)后水還是燙的。由于保溫效果太好，導(dǎo)致我想喝水的時(shí)候只能長時(shí)間打開蓋子降溫。但打開杯蓋降溫有諸多的不方便，比如存在衛(wèi)生問題、攜帶不方便等。

能否設(shè)計(jì)一款可快速調(diào)節(jié)熱水降溫速度的保溫杯？

一、設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，加工保溫杯時(shí)，廠家把內(nèi)膽、外膽間的空間加工成楔形，并在里面放置楔形導(dǎo)熱體。正常情況下，楔形導(dǎo)熱體不會同時(shí)與內(nèi)膽、外膽接觸，可形成真空隔熱層。

當(dāng)楔形導(dǎo)熱體上移時(shí)，內(nèi)膽、外膽同時(shí)與導(dǎo)熱體接觸，水杯內(nèi)的水的熱量直接通過內(nèi)膽傳到導(dǎo)熱體，再傳到外膽后散發(fā)到空氣中。當(dāng)水溫降到一定程度時(shí)，楔形導(dǎo)熱體向下移動，讓楔形導(dǎo)熱體不同時(shí)與內(nèi)膽、外膽接觸，從而實(shí)現(xiàn)降溫速度可調(diào)。

圖1 保溫杯導(dǎo)熱速度調(diào)節(jié)原理

二、選擇楔形導(dǎo)熱體移動方式

由于真空保溫杯保溫效果好，我們在改進(jìn)保溫杯的同時(shí)，不能破壞保溫杯的真空特性，所以楔形導(dǎo)熱體的移動只能使用非接觸力，而不能使用接觸力。

電場力、磁場力、重力都是非接觸力，它們各有各的特點(diǎn)，如表1所示。

從表中可以看出，磁場力和重力都適用于本設(shè)計(jì)。

表1 三種非接觸力的特征

三、磁場力式移動方式

利用磁場力推動楔形導(dǎo)熱體移動的原理如圖2所示。

圖2 通過磁鐵移動改變散熱速度原理圖

在楔形導(dǎo)熱體底部固定一塊磁鐵，杯底外部也有一塊可轉(zhuǎn)動磁鐵。轉(zhuǎn)動磁鐵，當(dāng)磁鐵異名磁極靠近時(shí)，磁鐵被下拉，楔形導(dǎo)熱體下移，不會同時(shí)與內(nèi)膽、外膽接觸，保溫杯具有保溫功能。當(dāng)同名磁極靠近時(shí)，由于磁場力的作用，楔形導(dǎo)熱體被向上推，內(nèi)膽、外膽同時(shí)與導(dǎo)熱體接觸，導(dǎo)熱良好，處于導(dǎo)熱狀態(tài)。

由于這種設(shè)計(jì)用到了磁鐵，對杯體材料還有一個(gè)要求，即使用不導(dǎo)磁材料。生活中常用的304不銹鋼即為不導(dǎo)磁材料。圖3為3D打印制成的模型。

圖3 3D打印結(jié)構(gòu)模型

四、重力式移動方式

利用重力推動楔形導(dǎo)熱體移動的原理如圖4所示。

圖4 通過重力改變散熱速度原理圖

楔形導(dǎo)熱體在自身重力的作用下，整體下移，達(dá)到真空保溫的作用。當(dāng)把杯子倒置時(shí)，楔形導(dǎo)熱體在重力的作用下向下移動，與內(nèi)膽、外膽連接，達(dá)到導(dǎo)熱效果。

這種移動方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，穩(wěn)定性好，不需要太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是散熱時(shí)，杯體要倒置，要求水杯蓋的密封性較好。