基于強化傳熱保溫降溫新型兩用杯的研究設計

尤運 張立昂 涂釗 姜未汀 潘衛國

摘 要：文章研究設計了一種利用熱管原理進行強化傳熱的保溫降溫可轉換式兩用杯。該杯可以隨時隨地靈活實現穩定保溫或快速降溫功能，在需要保溫時，利用熱管沿徑向方向導熱系數小的原理，進行穩定保溫；在需要降溫時，利用熱管沿軸向方向導熱系數大的原理，進行快速降溫。文章詳細地從保溫降溫可轉換式兩用杯的設計原理、設計模型、實施方式和發展前景等多方面進行了闡述。

關鍵詞：熱管原理；強化傳熱；保溫降溫；可轉換式兩用杯

中圖分類號：TM26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0104-02

Abstract： In this paper， a kind of heat preservation and cooling converter cup with heat pipe principle is designed. This cup can flexibly realize the function of stable heat preservation or rapid cooling at any time and anywhere. When heat preservation is needed， the heat pipe can be stabilized by using the principle of small thermal conductivity along the radial direction. Using the principle of large thermal conductivity along the axial direction of the heat pipe， the rapid cooling is carried out. In this paper， the design principle， design model， implementation mode and development prospect of the heat preservation and cooling convertible dual purpose cup are described in detail.

Keywords： heat pipe principle； enhanced heat transfer； heat preservation and cooling； convertible dual purpose cup

引言

在節能減排的新時代背景下，隨著科學技術的快速發展，人們對保溫杯人性化功能的需求也越發強烈。在日常生活中，非可調設式保溫杯越發表現出其短板。例如保溫杯的保溫效果有時也會成為負擔，當你口渴的時候，急切的想喝一杯溫水，這個時候的保溫杯的表現就差強人意了，出眾的保溫效果反而成了缺點。可見，非可調節式保溫杯只能實現單純的保溫功能，不能滿足大部分人的真實需求。而可調節式保溫杯可以根據使用者的設定，選擇穩定保溫或快速降溫，這樣這一問題就可以有效解決了。

1 設計原理

熱管技術是利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力[1-3]。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱行業，使得人們改變了傳統散熱的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術同樣可以得到滿意效果，開辟了散熱行業的新天地[4，5]。

本文主要是利用熱管沿軸向方向導熱系數大，在徑向方向導熱系數小的原理，通過活動散熱組件與內杯壁平行和垂直兩個放置位置，使得杯子同時具有保溫和降溫兩個狀態，從而實現一杯兩用，靈活調節[6-8]。

2 設計模型

保溫降溫可轉換式兩用杯結構如圖1和圖2所示。該兩用杯分為杯蓋1，杯身兩個部分，杯蓋1由不銹鋼杯蓋和通用橡膠密封圈6組成，杯蓋1內壁有螺紋，與杯身突出的螺紋相符合，保證兩用杯整體不會漏水。杯身由內至外由內杯壁4、保溫層2、外杯壁5組成。內杯壁4和外杯壁5由不銹鋼材料制成。保溫層2內部由隔熱材料所填充，采用塑料發泡材料作為填充材料。外杯壁5上設有活動散熱組件3，該活動散熱組件3由四分之三的圓環與熱管7相切，并且將圓心固定于外杯壁5的加工好的缺口處，并且留下一橫軸8穿過圓心使圓環可以自由轉動，轉動角度為90度。當正常使用時，使熱管7垂直放置；需要使用時，通過滾動圓環，使熱管7旋轉90度，與放置于內杯壁4的不銹鋼凹槽相連。活動散熱組件3的四周采用隔熱材料玻璃纖維將熱管7與隔熱材料相分離。

其中，活動散熱組件3的具體結構如圖3所示。活動散熱組件3包括活動環和熱管7，活動環為四分之三的圓環，活動環的圓心固定于外杯壁5上，熱管7固定于活動環的四分之一缺口處，活動環的中心設有橫軸8，活動環帶動熱管7繞橫軸8轉動。活動環的轉動角度不超過90度。熱管7在保溫狀態下與內杯壁4平行，在降溫狀態下與內杯壁4垂直。內杯壁4上還設有與活動散熱組件3匹配的空槽9，空槽9在降溫狀態下容納活動散熱組件3。空槽9內還設有橡膠。活動散熱組件3與保溫層2之間還設有玻璃纖維。內杯壁4和外杯壁5均為不銹鋼杯壁。杯蓋1包括杯蓋本體和橡膠密封圈6，橡膠密封圈6分別與杯蓋本體和兩用杯身連接。活動散熱組件3的數量為6～10個。

在外杯壁5均勻挖去8個空槽，長度略大于活動散熱組件中的圓環的直徑長度，寬度略大于活動散熱組件中的圓環的寬度。為保證活動散熱組件可以完美放置進入空槽9內，并不限制圓環的自由轉動，可以在空槽9內鋪設一些通用橡膠，這樣也可以保證一定程度的密封性。同時每個空槽9中間要留一根不銹鋼軸，其直徑略小于圓環內預留的圓孔直徑。保溫層2的厚度略大于活動散熱組件的長度，并在內杯壁4對應位置安裝一不銹鋼凹槽，與熱管7頂部凸起可以大致吻合。保證活動散熱組件連接時，熱管7可以連接內杯壁4和外杯壁5，保證該設計可以正常使用其快速降溫功能。

3 實施方式

該保溫降溫可轉換式兩用杯在使用時，首先在杯子中倒入熱水，并轉動圓環使得熱管7與保溫杯內壁平行，實現對熱水的保溫，若使用者需要對熱水進行快速降溫，則轉動圓環，從而使得熱管7與內壁垂直，并使熱管7與內壁的空槽9相連，通過熱管7的散熱性能，達到快速降溫杯中水的目的。

4 發展前景及結論

目前，市場上的水杯大多都只為實現盛水、單純保溫而設計，并不能進行快速降溫。而保溫降溫可轉換式兩用杯的設計以最直接、高效、環保的制冷方式，讓溫度“速降”從此開始變得如此簡單。因此保溫降溫可轉換式兩用杯可以實現人性化的功能，能給人們提供更好的服務。相信隨著社會的發展和人們生活水平的不斷提升，保溫降溫可轉換式兩用杯可以滿足未來人性化的需求，將有很好的市場發展前景和經濟價值。

參考文獻：

[1]孫縈豪.熱管技術在基站空調能耗改進方案中的應用研究[D].東南大學，2012.

[2]羅毅，金良軍.熱管技術在熱能工程中的應用[J].工程技術：引文版，2016（5）：00140-00140.

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[5]孫北辰.熱管的物理學知識[J].工業b，2016（8）：00143-00143.

[6]黃素逸，王獻.動力工程測試技術[M].中國電力出版社，2011.

[7]鄭正泉.熱能與動力工程測試技術[M].華中科技大學出版社，2001.

[8]楊世銘，陶文銓.傳熱學.第4版[M].高等教育出版社，2006.