（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088）

1 研究加熱制冷杯背景

在日常生活中，人們往往會遇到這種情況，夏天一熱就想立馬來點冰鎮(zhèn)可樂，冬天一冷，就想來點熱飲暖暖身子。本團隊致力于研究可以兩全的辦法，即以現(xiàn)有的加熱杯墊為原型，在制熱的基礎(chǔ)上增加了制冷的功能，且加快了加熱速度，使其更加便利。

2 加熱制冷杯的技術(shù)組成

本團隊將半導(dǎo)體制冷與加熱的控制技術(shù)與單片機原理的集合，作為產(chǎn)品的技術(shù)核心，來設(shè)計整個杯體。

2.1 半導(dǎo)體原理介紹

加熱制冷杯總線路如圖1所示，電路圖包含了整個加熱制冷杯三大功能：加熱功能、制冷功能和散熱功能。該電路圖包括防短路系統(tǒng)[1]。

2.2 制冷工作流程

接上插頭后，按一下按鍵，燈為綠色則表明為制冷狀態(tài)。直接按下杯底的按鍵，杯子內(nèi)置的溫度以及壓強傳感器檢測壓力后，開始工作。杯子利用單片機控制半導(dǎo)體冷熱片，進行制冷的半導(dǎo)體貼近杯體一側(cè)開始制冷，并帶動排風(fēng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動使外殼和內(nèi)杯之間的風(fēng)道產(chǎn)生氣流，而杯底與金屬片完全接觸后，達到一定的制冷溫度，從而由單片機控制電路斷電從而達到制冷的目的[1]。

2.3 加熱工作流程

接通電源后，長按按鍵直到燈變?yōu)榧t色，則表明為加熱狀態(tài)，根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的工作特性，如果開始換動電極，那么在原有制冷基礎(chǔ)上會開始進行加熱，同樣按下杯底的右按鍵。溫度以及壓強感應(yīng)器起初檢測水溫和壓力后，單片機開始控制加熱，從而達到穩(wěn)定的溫度[2]。

以下為冷熱轉(zhuǎn)換工作部分原理如圖2所示。杯子通過開關(guān)來致冷或致熱。K2為雙刀雙擲撥動開關(guān)，K2打到1時為致熱狀態(tài)，致冷塊電壓上負(fù)下正。當(dāng)K2打到2時，致冷塊電壓變?yōu)樯险仑?fù)，為致冷狀態(tài)。致冷時，綠色指示燈LED1亮;致熱時，紅色指示燈LED2亮[3]。

圖1 加熱制冷杯總線路

圖2 冷熱轉(zhuǎn)化原理

3 加熱制冷杯的結(jié)構(gòu)組成以及結(jié)構(gòu)設(shè)計

組成：整個加熱制冷杯主要有外殼、底座（見圖3—4）、固定導(dǎo)熱杯、電源插頭、杯底。而杯底包含各種元器件（半導(dǎo)體制冷片、單片機、傳感器等）。在整個結(jié)構(gòu)中，外殼主要起支持和保護作用，外殼的側(cè)面具有兩個散熱口。底座也設(shè)計了高達3 cm的懸置高度，用于散熱。

結(jié)構(gòu)設(shè)計：在設(shè)計整體加熱制冷的杯體時，以質(zhì)量小、體積小的目的出發(fā)，以最基礎(chǔ)的底座為起點，團隊經(jīng)過多次修改，最終以8 cm×8 cm×8 cm為最終長寬高，其余的結(jié)構(gòu)為了盡量減少加工的目的而設(shè)計。以下是關(guān)于結(jié)構(gòu)外形的三維建模。

圖3 外形側(cè)視體

圖4 底座

在設(shè)計該三維建模過程中，關(guān)于整體杯壁的厚度問題，本團隊嘗試了多個數(shù)據(jù)，考慮到產(chǎn)品最后成形的價格問題，最終選擇了4 cm。在設(shè)計杯底的時候，團隊考慮到產(chǎn)品工作時的散熱問題，在整個杯體兩側(cè)面以及底面分別設(shè)有一定的通槽。

在設(shè)計底座時，團隊考慮到產(chǎn)品放在桌面的摩擦力，為了盡量使得杯子不易滑動，在底面設(shè)計了小凹槽，可加上防滑的墊片。

在設(shè)計蓋子時，團隊考慮到杯子的美觀性，采用了過盈鏈接，使之嵌入在杯體中，且在杯蓋的槽中加入一圈的墊片，使之密閉性更好。

4 加熱制冷杯內(nèi)置裝配圖

雖然有了半導(dǎo)體片、散熱風(fēng)扇（見圖5—6）外殼等，但是杯子的裝配過程是一項技術(shù)活。下列為內(nèi)置裝配步驟。

圖5 散熱風(fēng)扇

圖6 半導(dǎo)體片

（1）先將散熱風(fēng)扇嵌入提前設(shè)計好的凹槽中，并與之相連的核心組件制冷半導(dǎo)體片及其相連的電路放在散熱風(fēng)扇的上方。

（2）放置好散熱裝置與核心加熱裝置后，其上的電線有序放進卡線槽里，避免線路短路以及受熱軟化。

（3）安放導(dǎo)熱鋁杯。

（4）安裝蓋子。在安裝實物時，團隊考慮到安裝時的氣密性問題，在蓋子內(nèi)側(cè)安裝了橡膠圈，通過調(diào)整橡膠圈的厚度，可控制其松緊程度。

5 加熱制冷杯的性能

5.1 便攜

從購買元器件到設(shè)計圖紙，團隊始終保持著一個理念：便攜。這也是設(shè)計的最初目的。人們無論居家還是出差，加熱制冷杯像充電寶一樣便攜，團隊進行了多次數(shù)據(jù)的對比，認(rèn)為8 cm×8 cm×8 cm參數(shù)的長方體是最優(yōu)設(shè)計。

5.2 高效

百公里加速或者百公里油耗是汽車的評測標(biāo)準(zhǔn)。加熱制冷杯也有自己獨一無二的評測標(biāo)準(zhǔn)，即加熱制冷速度（從某一個溫度加熱或制冷到某個溫度的時間快慢）。加熱制冷速度是本研究團隊主攻的第二大方向，在進行加熱或制冷速率實驗中，表面板常溫25 ℃加熱到80 ℃耗時215 s并且可保溫。在55 s內(nèi)，表面板溫度從常溫立即冷卻到0 ℃。測得溫降率為0.455 25 ℃/s。這兩個數(shù)據(jù)表明本產(chǎn)品的制冷和加熱性能。

5.3 節(jié)能

產(chǎn)品是否耗電的問題顯得尤為重要，考慮到機器的功率大小問題，團隊在不斷采集數(shù)據(jù)，爭取將能耗、噪音降到最低。最后，確定杯子通電接口為3 A、總功率為36 W時能耗最低，而且3 A附帶12 V電壓的充電端口，比較普適、節(jié)能且減排。

6 結(jié)語

在進行設(shè)計的同時，團隊嘗試加入一些新功能比如加熱制冷的溫度顯示、加熱、制冷、保溫顯示燈、電路的合理設(shè)計、線路優(yōu)化和外觀的美觀性等，團隊也會在后期進一步優(yōu)化設(shè)計，給人們帶來便利。