一種適于野外作業(yè)用多功能太陽能保溫水杯設(shè)計(jì)

陳夢(mèng)琳，董春芳，李 鑫，趙 歡，裴笑閱

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

水杯是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚奈锲罚绕鋵?duì)于從事林區(qū)作業(yè)和森林資源調(diào)查等工作的人員來說，由于工作環(huán)境比較艱苦，野外工作量大，甚至需要在氣溫較低情況下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，因此一款方便實(shí)用的保溫水杯是進(jìn)行外業(yè)工作時(shí)選擇攜帶的首要物品。隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提升，水杯的造型和功能越來越多樣化，如面向大眾的各類普通水杯和保溫水杯，面向養(yǎng)生需求人群的各類功能性水杯，面向走在潮流前端年輕人的各種智能水杯等等［1-3］。但這些功能對(duì)于進(jìn)行野外作業(yè)的林業(yè)工作者而言意義不大，而普通保溫水杯保溫時(shí)長(zhǎng)有限，因此設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的多功能保溫水杯不僅能夠滿足進(jìn)行外業(yè)的各類工作人員需要，也適合長(zhǎng)時(shí)間戶外活動(dòng)的人群使用，會(huì)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 多功能保溫水杯需求分析

目前市場(chǎng)上的保溫水杯種類樣式繁多，就其功能來說只有單一的保溫功能，在室溫條件下保溫時(shí)長(zhǎng)平均為3～5 h。對(duì)于經(jīng)常在野外作業(yè)的人而言，除了對(duì)熱水的需求外，有時(shí)還有辨別方向、照明、手機(jī)等電子設(shè)備應(yīng)急充電等需求，雖然這些需求有相應(yīng)的物品來滿足，但有些物品體積較小容易丟失，如果將它們集成在一起則更方便攜帶。對(duì)于這種集多種功能于一體的保溫水杯設(shè)計(jì)還應(yīng)以使用人群的需求分析為基礎(chǔ)，而質(zhì)量功能展開(QFD)作為一種基于需求分析的產(chǎn)品逆向開發(fā)方法可以有效實(shí)現(xiàn)由需求到產(chǎn)品功能要素的轉(zhuǎn)換［4］。由于東北林業(yè)大學(xué)一些科研試驗(yàn)、調(diào)查取樣等經(jīng)常需要在林區(qū)進(jìn)行，因此本文以東北林業(yè)大學(xué)師生為調(diào)查對(duì)象，根據(jù)需求調(diào)查結(jié)果再通過QFD方法確定保溫水杯的功能要求并以此確定結(jié)構(gòu)方案，調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 The result of questionnaire

由表1可以看出，進(jìn)行外業(yè)的人員更希望水杯功能有所增加。根據(jù)對(duì)調(diào)查問卷中各種功能需求進(jìn)行整理歸納，得到展開的功能需求與功能要素展開表，見表2。

表2 功能需求與功能要素展開表Tab.2 Deployment of function requirements and elements

將功能需求間的關(guān)聯(lián)度從極強(qiáng)到極弱賦值1～9，采用層次分析法(AHP)對(duì)功能需求重要度進(jìn)行評(píng)定［4］。對(duì)每一項(xiàng)功能需求與功能要素間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行打分，用◎、○、△分別代表強(qiáng)相關(guān)、相關(guān)和弱相關(guān)，得到功能需求與功能要素相關(guān)矩陣表，見表3。

表3 功能需求與功能要素相關(guān)矩陣表Tab.3 Correlation matrix of function requirements and elements

表3中所列出的各功能要素重要度排序作為多功能保溫水杯設(shè)計(jì)的依據(jù)。在野外活動(dòng)或作業(yè)時(shí)，由于保溫水杯都放在背包外置網(wǎng)袋中，不適合手持照明，而且在重要度排序中照明裝置重要度最低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮該功能。

2 總體方案

根據(jù)表3給出的功能要素重要度，本著便攜實(shí)用的目的，將加熱、蓄電、驅(qū)蚊、太陽能利用等功能結(jié)合設(shè)計(jì)一種多功能保溫水杯，水杯整體上由杯蓋、保溫外殼、內(nèi)膽、杯底、杯把、太陽能板、加熱裝置、溫控開關(guān)、鋰電池和指南針等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水杯整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of solar thermos flask

當(dāng)水溫低于25℃時(shí)，溫控開關(guān)將太陽能電池板與加熱裝置接通，太陽能電池板即開始工作，當(dāng)水溫達(dá)到某一溫度值時(shí)，溫控開關(guān)將電池板與加熱裝置斷開。當(dāng)不需要給水杯加熱時(shí)，按下充電轉(zhuǎn)換開關(guān)，太陽能板即與鋰電池充電電路接通進(jìn)行充電。當(dāng)需要給電子設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急充電時(shí)，用外接數(shù)據(jù)線將鋰電池與電子設(shè)備連接，系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 The work principle

3 水杯功能的詳細(xì)設(shè)計(jì)

水杯主要功能為加熱保溫、蓄電、驅(qū)蚊和方向指示，各部分功能由下列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

(1)杯蓋、內(nèi)膽和杯底均采用食品級(jí)不銹鋼材料制成，杯蓋與杯體通過螺紋連接。杯蓋設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，杯蓋上下層通過螺紋擰緊，杯蓋上下層間形成的空間可作為儲(chǔ)物格放置藥片等零散易失的小物品，杯蓋內(nèi)側(cè)為聚丙烯材料的螺塞，防止漏氣或漏水從而延長(zhǎng)溫度保溫時(shí)間。杯蓋頂部設(shè)有凹槽，在凹槽內(nèi)部嵌入指南針，方便人們辨別方向。杯蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙層杯蓋結(jié)構(gòu)Fig.3 Double-layer structure of lid

(2)杯子外殼為塑料材質(zhì)，保溫效果好。保溫外殼與內(nèi)膽間填充絕熱性良好的保溫材料以延長(zhǎng)水杯保溫時(shí)間。

(3)保溫外殼做成橢圓方形，杯把安裝在保溫外殼上，三塊太陽能電池板分別嵌入保溫外殼三個(gè)表面。電池板采用柔性薄膜太陽能電池板，其重量比雙層玻璃的太陽能電池片組件輕80%，適用于設(shè)計(jì)到便攜式產(chǎn)品上［5］。柔性加熱片貼附于內(nèi)膽外壁上，電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能，通過溫控開關(guān)與加熱片連接。

(4)太陽能電池板除了給加熱片供電外，還要與設(shè)置于杯底底部的鋰電池連接給其蓄電，當(dāng)有需要時(shí)，可通過杯底部的USB插口給手機(jī)等電子產(chǎn)品應(yīng)急充電。

(5)超聲波驅(qū)蚊器由于采用聲波共振技術(shù)來達(dá)到驅(qū)蚊的目的，綠色環(huán)保，因此在水杯外殼一側(cè)加裝一個(gè)聲波裝置，通過開關(guān)設(shè)定由太陽能電池板或鋰電池供電。

(6)杯子底部進(jìn)行防滑設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)旋蓋，需要檢查底部線路時(shí)可將旋蓋打開。

4 結(jié)束語

太陽能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源在工業(yè)和農(nóng)業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，隨著太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于人們的日常生活。針對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的保溫水杯，結(jié)合問卷調(diào)查分析，本文提出了一種適合林業(yè)野外作業(yè)或戶外活動(dòng)攜帶的多功能保溫水杯設(shè)計(jì)方案，將太陽能加熱、蓄電和聲波驅(qū)蚊等功能結(jié)合為一體，可以解決人們?cè)谝巴鉀]有電源加熱水和手機(jī)等電子設(shè)備應(yīng)急充電等需求，彌補(bǔ)普通保溫水杯功能單一的缺點(diǎn)，方便野外作業(yè)人員的應(yīng)急需求。

［1］趙美玲.基于大學(xué)生需求的一項(xiàng)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)-智能人性化水杯［J］.中國(guó)市場(chǎng)，2013(13):23-25.

［2］李博文，王志坤，孫如軍.新型多功能水杯的研究［J］.電子世界，2014(9):71.

［3］周 天，詹 云.為便捷而設(shè)計(jì)-多功能水杯的設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐［J］.藝術(shù)科技，2014(3):39.

［4］宋 欣，郭 偉，劉建琴.QFD中用戶需求到技術(shù)特性的映射方法［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(2):174-180.

［5］任龍杰，魏民祥.簡(jiǎn)易太陽能熱水杯的設(shè)計(jì)及節(jié)能分析［J］.節(jié)能，2006(9):41-43.