散熱速度可調的保溫杯

■江西省贛州中學 李沁恬

爸爸給我買了個新水杯，保溫性能特別好。上學前裝滿一杯熱水，下午放學后水還是燙的。由于保溫效果太好，導致我想喝水的時候只能長時間打開蓋子降溫。但打開杯蓋降溫有諸多的不方便，比如存在衛生問題、攜帶不方便等。

能否設計一款可快速調節熱水降溫速度的保溫杯？

一、設計原理

如圖1所示，加工保溫杯時，廠家把內膽、外膽間的空間加工成楔形，并在里面放置楔形導熱體。正常情況下，楔形導熱體不會同時與內膽、外膽接觸，可形成真空隔熱層。

當楔形導熱體上移時，內膽、外膽同時與導熱體接觸，水杯內的水的熱量直接通過內膽傳到導熱體，再傳到外膽后散發到空氣中。當水溫降到一定程度時，楔形導熱體向下移動，讓楔形導熱體不同時與內膽、外膽接觸，從而實現降溫速度可調。

圖1 保溫杯導熱速度調節原理

二、選擇楔形導熱體移動方式

由于真空保溫杯保溫效果好，我們在改進保溫杯的同時，不能破壞保溫杯的真空特性，所以楔形導熱體的移動只能使用非接觸力，而不能使用接觸力。

電場力、磁場力、重力都是非接觸力，它們各有各的特點，如表1所示。

從表中可以看出，磁場力和重力都適用于本設計。

表1 三種非接觸力的特征

三、磁場力式移動方式

利用磁場力推動楔形導熱體移動的原理如圖2所示。

圖2 通過磁鐵移動改變散熱速度原理圖

在楔形導熱體底部固定一塊磁鐵，杯底外部也有一塊可轉動磁鐵。轉動磁鐵，當磁鐵異名磁極靠近時，磁鐵被下拉，楔形導熱體下移，不會同時與內膽、外膽接觸，保溫杯具有保溫功能。當同名磁極靠近時，由于磁場力的作用，楔形導熱體被向上推，內膽、外膽同時與導熱體接觸，導熱良好，處于導熱狀態。

由于這種設計用到了磁鐵，對杯體材料還有一個要求，即使用不導磁材料。生活中常用的304不銹鋼即為不導磁材料。圖3為3D打印制成的模型。

圖3 3D打印結構模型

四、重力式移動方式

利用重力推動楔形導熱體移動的原理如圖4所示。

圖4 通過重力改變散熱速度原理圖

楔形導熱體在自身重力的作用下，整體下移，達到真空保溫的作用。當把杯子倒置時，楔形導熱體在重力的作用下向下移動，與內膽、外膽連接，達到導熱效果。

這種移動方式的優點是結構簡單，操作方便，穩定性好，不需要太復雜的結構。缺點是散熱時，杯體要倒置，要求水杯蓋的密封性較好。