一種基于自發(fā)電溫控杯的設計

摘 要：本文設計了一種基于自發(fā)電的溫控杯。通過設置于杯蓋圓柱槽中的導電靜指針和導電滑動刷分別連接杯蓋上的p型半導體與n型半導體，通過導電滑動刷切割磁體產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生電動勢。杯蓋產(chǎn)生的電動勢通過杯體中的半導體傳導至杯底上的導體塊，基于珀耳帖效應，導體塊根據(jù)導電滑動刷旋轉的方向加熱或者冷卻杯子的內(nèi)襯，從而實現(xiàn)杯內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)。

關鍵詞：自發(fā)電；溫控杯；珀耳貼效應

由于人們工作生活的需要，飲用水通常由便攜式溫控杯來控制，便攜式溫控杯由內(nèi)杯和套杯組成。內(nèi)杯用于盛放水，套杯用于加熱或降溫，套杯將內(nèi)杯完全包圍，可以增大水的受熱面積，減少所用時間。目前，溫控杯中水的溫度根據(jù)季節(jié)選擇加熱或降溫，因此可以把杯子設計為可裝套型，那么套杯就分為加熱套杯和冰鎮(zhèn)套杯，每次使用時裝上所需要的套杯。

現(xiàn)有溫控杯的加熱或者降溫電源通常來自外接電源，也有一些采用電池加熱的溫控杯，但是，無論哪種方式，對于野外旅行來說，都不適用，即使是電池加熱也只能使用很短的時間和次數(shù)。因此，需要設計一種能夠自發(fā)電，在野外隨時可加熱或者降溫的溫控杯。

本設計溫控杯由杯蓋1、杯體2和底座3三部分組成。其中，杯蓋通過螺紋和杯體連接，杯體和底座采用活動連接方式或固定連接方式連接。如圖1所示，本設計的杯蓋包括磁體11以及磁體上方的圓柱槽，其中磁體的外側面為連接螺紋，圓柱槽由p型半導體一12，絕緣連接質(zhì)13及n型半導體一14組成，p型半導體一和n型半導體一之間通過絕緣連接質(zhì)連接固定，在p型半導體一和n型半導體一的內(nèi)側壁上設置導電環(huán)18，在圓柱槽的中心絕緣連接質(zhì)上設置導電柱體16，導電靜指針15固定連接在n型半導體一內(nèi)側的導電環(huán)與導電柱體之間，導電滑動刷17的一端通過滾動軸承19連接在導電柱體上，導電滑動刷的另一端與導電環(huán)內(nèi)側滑動連接；磁體11產(chǎn)生的空間磁場分布在整個杯蓋周圍，當順時針或逆時針方向移動導電滑動刷時，導電滑動刷切割磁力線，當導電滑動刷在p型半導體一所在的導電環(huán)內(nèi)滑動時，通過p型半導體一，導電滑動刷，導電靜指針，n型半導體一形成開路，在p型和n型半導體之間產(chǎn)生感動電動勢，并且隨著導滑動刷的移動方向相反，產(chǎn)生電動勢的極性相反；當導電滑動刷在n型半導體一內(nèi)移動時，導電滑動刷，導電環(huán)，導電靜指針形成回路，不會對外產(chǎn)生電動勢。

如圖2所示，所述杯體2包括盛裝液體的內(nèi)襯21以及外筒，所述外筒包括p型半導體二23、n型半導體二24以及連接固定p型半導體二和n型半導體二的絕緣介質(zhì)22。所述底座由導體塊和絕熱塊組成（見圖3）。當杯蓋、杯體和底座裝配后，杯蓋上的p型半導體一和n型半導體一分別對應杯體上的p型半導體二、n型半導體二對應連接，杯體上的p型半導體二、n型半導體二通過導體快連接并導通，絕緣連接質(zhì)和絕緣介質(zhì)對應連接，位置不對應度小于絕緣連接質(zhì)的寬度。并且當導電滑動刷在p型半導體一的內(nèi)側導電環(huán)內(nèi)側滑動時，p型半導體二、p型半導體一，導電滑動刷，導電靜指針，n型半導體一、n型半導體二，導體塊共同構成了導電回路，該導電回路電動勢方向取決于導電滑動刷的轉動方向。

圖4所示為珀耳帖效應示意圖，當n型半導體42與p型半導體44放置在兩個導體41與43之間，當電流方向是從n型半導體到p型半導體時，導體43的溫度會降低。而當電流方向相反時，導體43的溫度會升高。

根據(jù)圖4所示珀耳帖效應，當導電滑動刷順時針轉動時，電流方向是從n型半導體到p型半導體，導體塊溫度降低，對杯內(nèi)液體進行降溫，反之，導電滑動刷逆時針轉動時，電流為從p型半導體到n型半導體，導體塊溫度升高，對杯內(nèi)液體進行加熱。

本設計所述溫控杯結構精巧、操控簡便，可以在不附加任何外電源的情況下實現(xiàn)水杯內(nèi)液體加熱或者冷卻，特別適于野外環(huán)境使用。

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作者簡介：武大為（2001），男，克山縣第一中學。