基于半導(dǎo)體制冷制熱的護(hù)腕鼠標(biāo)墊

亓晶晶，張麗芳，李月云，黃立新

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)在生活中的普及，人們因?yàn)楣ぷ鳎瑢W(xué)習(xí)，娛樂(lè)等等原因每天花費(fèi)在電腦上的時(shí)間越來(lái)越多。而在長(zhǎng)時(shí)間的使用電腦打字及移動(dòng)鼠標(biāo)的同時(shí)，手腕關(guān)節(jié)極易因長(zhǎng)時(shí)間做重復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一系列毛病，如“鼠標(biāo)手”等。又由于許多地方冬夏季溫差特別大，人們使用鼠標(biāo)時(shí)常常感覺(jué)冬冷夏熱，雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上有賣(mài)保暖的鼠標(biāo)墊，但通常只能保暖，夏天不能用，使得人們不得不準(zhǔn)備兩個(gè)鼠標(biāo)墊，不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，也很不方便。

“鼠標(biāo)手”的出現(xiàn)顯然是鼠標(biāo)的外形與鼠標(biāo)墊之間的配合不夠合適，鼠標(biāo)總是趴在桌面，左右按鍵與桌面平行，長(zhǎng)期使用容易使手腕感到各種不適，嚴(yán)重的話會(huì)使手部的神經(jīng)和血管受損。不單單是腕部，由于使用時(shí)肩部有一定外展角度，前臂旋轉(zhuǎn)扭曲，長(zhǎng)時(shí)間的操作也會(huì)導(dǎo)致肩頸和手臂的疲勞不適。

而如果不能改變鼠標(biāo)的基本外型，就只能改變鼠標(biāo)墊的外型以達(dá)到使用鼠標(biāo)時(shí)手腕和肩部都處于一個(gè)比較舒適且對(duì)身體有利的姿勢(shì)。采用冷熱可調(diào)的鼠標(biāo)墊也會(huì)更加的方便。

1 鼠標(biāo)墊的整體設(shè)計(jì)

如圖1，在鼠標(biāo)墊的上部是人機(jī)工程護(hù)腕，鼠標(biāo)墊的下部第一層中部是半導(dǎo)體制冷片，制冷片的兩端設(shè)計(jì)有放置電池的區(qū)域，左邊的電池放置區(qū)域電池與半導(dǎo)體制冷片正接，用于制熱；右邊的電池放置區(qū)域電池與半導(dǎo)體制冷片反接，用于制冷。第二層設(shè)計(jì)為散熱片放置區(qū)域，第三層設(shè)計(jì)為散熱風(fēng)機(jī)放置區(qū)域。二、三層的設(shè)計(jì)用于輔助半導(dǎo)體制冷片發(fā)揮作用。

圖1 人性化冷熱可調(diào)護(hù)腕鼠標(biāo)墊的結(jié)構(gòu)圖

2 半導(dǎo)體的制冷制熱原理

2.1 帕爾帖效應(yīng)

該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的。在2種不同導(dǎo)體連成的回路中，當(dāng)電流流經(jīng)2種不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。吸熱或放熱會(huì)依電流方向不同而改變，吸熱和放熱量的大小與電流大小成正比。此效應(yīng)稱(chēng)帕爾帖效應(yīng)（Peltier effect），圖2為帕爾帖效應(yīng)原理圖[1]，X和Y是2種不同金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。當(dāng)回路通有直流電流時(shí)，在兩金屬接觸點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)冷、熱端現(xiàn)象。

圖2 帕爾帖效應(yīng)原理圖

2.2 半導(dǎo)體制冷制熱

把一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體的粒子連接成一個(gè)電偶對(duì)，通以直流電源。如圖3所示，電流從N極流向P極，N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當(dāng)電流從N型元件流入，從P型元件流出時(shí)，N型元件中的電子在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時(shí)放熱，同樣P型元件中的空穴在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的負(fù)電荷聚合，下端聚合時(shí)放出熱量；同時(shí)，電子與空穴在上端分離，上端分離時(shí)吸收熱量。當(dāng)改變電流的方向時(shí)，吸熱端會(huì)變?yōu)榉艧岫耍艧岫藭?huì)變?yōu)槲鼰岫恕?/p>

圖3 半導(dǎo)體制冷制熱原理

3 人性化的護(hù)腕設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

人機(jī)工程學(xué)是研究人與系統(tǒng)中其他因素之間的相互作用，以及應(yīng)用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來(lái)設(shè)計(jì)以達(dá)到優(yōu)化人類(lèi)和系統(tǒng)效能的學(xué)科[2]。人機(jī)工程學(xué)講究一切以人為中心的設(shè)計(jì)理念，基于對(duì)人的因素良好知識(shí)的設(shè)計(jì)。通過(guò)考慮人的形體尺寸的不同而獲得良好的身體適應(yīng)性產(chǎn)品，要求產(chǎn)品不僅要滿(mǎn)足功能，還要符合美觀、使用方便、操作靈活、舒適和安全。

3.2 護(hù)腕的設(shè)計(jì)

人類(lèi)的手是一個(gè)非常神奇的器官，它能做各種各樣的動(dòng)作，幫助完成許多事情，最簡(jiǎn)單的就是吃飯了。可以說(shuō)一個(gè)人要是失去雙手，會(huì)非常的不方便，所以，保護(hù)雙手是非常重要的。在使用鼠標(biāo)的時(shí)候，有一個(gè)護(hù)腕的鼠標(biāo)墊也是很重要的。一個(gè)真正護(hù)腕的鼠標(biāo)墊要考慮到手的各個(gè)方面因素，如通過(guò)人體的手部尺寸、手腕在平行桌面的受力情況以及肘與腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍等來(lái)確定鼠標(biāo)墊的大小和護(hù)腕的大小與形狀，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的護(hù)腕鼠標(biāo)墊才算的上真正意義上符合人機(jī)工程學(xué)人性化的設(shè)計(jì)。下表分別是我國(guó)人體手部尺寸、肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍[3]。

表1 中國(guó)人體手部尺寸

表2 中國(guó)人的肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍

由上表可知，我國(guó)成年人男性“小”身材的人群有5﹪的人手長(zhǎng)小于170 mm，手寬76 mm；“中等”身材的人群有50﹪的人手長(zhǎng)小于183 mm，手寬82 mm；“大”身材的人群有95﹪的人手長(zhǎng)小于196 mm，手寬89 mm。而女性手長(zhǎng)與男性一樣，手寬則分別為70 mm、76 mm、82 mm。所以，通過(guò)分析成年人體手部尺寸與肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍選擇最適合的鼠標(biāo)墊的寬度以及護(hù)腕的長(zhǎng)度。

研究表明手在握持中，手腕應(yīng)盡可能保持伸直狀態(tài)，也即讓手保持在它彎曲范圍的中間位置，以便確保施加在手上的任何力在傳遞到臂的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生繞手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的較大力矩。經(jīng)試驗(yàn)證明，當(dāng)人的手腕呈“仰起”狀態(tài)時(shí)，則“仰起”的夾角在15°～30°之間是最舒服狀態(tài)，超過(guò)這個(gè)范圍，則前臂肌肉處于拉緊狀態(tài)，而且也會(huì)導(dǎo)致血液的流動(dòng)不暢。受其影響，上臂的三頭肌及三角肌也都會(huì)同時(shí)受到力牽拉的作用，人的肩關(guān)節(jié)也會(huì)一直處于強(qiáng)直狀態(tài)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受阻[4]。

圖5為所設(shè)計(jì)的冷熱可調(diào)護(hù)腕鼠標(biāo)墊的護(hù)腕部位的設(shè)計(jì)圖。如圖所示，鼠標(biāo)墊的突起部位中前部與手接觸的位置設(shè)計(jì)為貼合手的弧狀線條，讓手充分感受護(hù)腕的托起，同時(shí)，突起部位的高度為平行仰起15°～30°，以此減緩疲勞。

4 人性化的溫度設(shè)計(jì)[5]

4.1 人的冷熱感覺(jué)

在人的皮膚上存在著許多溫點(diǎn)和冷點(diǎn)，當(dāng)熱刺激或冷刺激相應(yīng)地作用于它們，就會(huì)產(chǎn)生溫覺(jué)和冷覺(jué)。如將手放在35℃的水里，最初產(chǎn)生溫覺(jué)，浸入幾分鐘后就逐漸感受不到它；又如將手放在50℃以上或10℃以下的水里，就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的溫覺(jué)或冷覺(jué)，這就是溫度覺(jué)的適應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度與正常的皮膚溫度相差越大，適應(yīng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)較高的溫度（如45℃）作用于皮膚時(shí)，即可產(chǎn)生燙覺(jué)；當(dāng)室溫在20℃～25℃時(shí)，燙覺(jué)閾限范圍約為40℃～46℃。

圖5 鼠標(biāo)墊護(hù)腕設(shè)計(jì)圖

4.2 最佳溫度條件

關(guān)于最佳溫度條件，許多人都做過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究表明:在舒適的溫度范圍，其有效溫度約為23℃～27℃；而21℃～23℃是稍涼的舒適界限；27℃～29℃是稍熱的舒適界限。比較而言，在13℃以下的人會(huì)感到“不舒服的寒冷”，36℃以上的人會(huì)感到“不舒服的炎熱”，而41℃以上則“難以忍受”。

4.3 材料的溫度覺(jué)

萬(wàn)得爾海得曾測(cè)得：當(dāng)皮膚接觸物體時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不愉快的感覺(jué)，這是由于接觸的瞬間皮膚溫度迅速下降所致。下降的程度因材料而異。實(shí)驗(yàn)表明，皮膚的觸感并不是單純由材料表面的溫度條件來(lái)決定，材料表面的凹凸也有影響。比如，粗糙的草墊子，比起光滑的材料，觸感要好一些。

所以，在設(shè)計(jì)鼠標(biāo)墊的可調(diào)節(jié)溫度時(shí)，要根據(jù)人的冷熱感覺(jué)、最佳溫度條件以及材料的溫度覺(jué)來(lái)確定最優(yōu)溫度范圍。

5 總結(jié)

（1）半導(dǎo)體制冷制熱護(hù)腕鼠標(biāo)墊集各種功能于一體，冬季使用溫暖，夏季使用涼爽，同時(shí)兼具護(hù)腕的功能，方便用戶(hù)的使用。

（2）護(hù)腕方面，通過(guò)人體工程學(xué)的分析，護(hù)腕區(qū)的高度應(yīng)相對(duì)于手部仰起15°～30°。此時(shí)，鼠標(biāo)墊完美適合每一個(gè)手腕，緩解肩部酸痛。

（3）溫度方面，人體對(duì)溫度的感知又受到環(huán)境溫度，材料溫度等的影響，因此要比所得溫度稍高或稍低1℃～2℃，才是使人體感覺(jué)最舒適的溫度。

［1］唐春輝.半導(dǎo)體制冷——21世紀(jì)的綠色“冷源”［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2005，30（5）：32-34.

［2］王繼成.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］劉剛田.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2012.

［4］吳廷玉，李雄.鼠標(biāo)墊的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)分析［J］.科學(xué)之友：中，2012（3）：11.

［5］王鑫，楊西文，楊衛(wèi)波.人體工程學(xué)［M］.北京：中國(guó)青年出版社，2012.