多功能冷熱一體杯的設計

金坤坤，惠 妍，葛 珊，柯雪兒

（安徽三聯學院，安徽 合肥 230601）

萬物都離不開水，而盛水的容器從古至今琳瑯滿目、各種各樣。這些水杯大多停留在盛水的容器層面，并沒有突破傳統缺陷，給用戶帶來更多的方便和安全。本文所研究的智能杯一開始在歐洲、美國等一些發達國家使用得比較廣泛，樣式多種多樣。例如一款適合在野外使用的杯子—通過3層過濾器使原本渾濁的水直接凈化成飲用水。還有一款SUWU工作室發明的藥罐瓶，其瓶蓋與市面上大部分的瓶子匹配，可以充當藥盒，按時提醒病人吃藥。科學家Ozmo發明了一款可提醒喝水的杯子，用戶只需將杯子與手機里的軟件相連，就可以檢測自身的飲水量，還可以追蹤用戶咖啡的攝入量，防止飲用過量的咖啡因。雖然國外的科技水平較高，但是由于產品本身的價格及其他因素限制了其發展[2]。

1 多功能杯的設計理念與使用方法

1.1 設計理念

國內目前出現的智能杯[1]主要依靠最原始的比熱容儲熱來完成。杯壁含有的醋酸鈉水溶液，在外力的作用下使醋酸分子發生碰撞，導致其內的分子發生相變，在醋酸鈉由水溶液相變過程中利用吸熱散熱來改變杯子內部水的溫度。但其體積龐大，且里面含有大量的內液，長時間使用不僅麻煩，還會帶來健康問題。

文章在傳統杯子以及現代新進技術的基礎上，設計一款多功能杯，在對水保溫的基礎上，通過智能調節，只需在外屏輸入所需要的溫度，其內置的集成芯片便會控制溫感薄膜進行冷熱水的調節。這款杯子在傳統保溫杯的基礎上加了一道工序—內膽鍍銅，大量實驗數據表示其保溫效果比之前的保溫效果提高20%。

1.2 多功能杯使用方法

本項目核心是在傳統的杯子中間加一層健康無危害的高分子溫感高分子隔膜，在杯子底部加上集成芯片，在杯子外壁內嵌顯示屏。杯子自帶保溫系統，溫感隔膜在集成芯片的控制下通過熱水進冷水進行調節，達到所需要的水溫。本項目實物輕便、操作簡單，適合多個年齡層的用戶，通過集成芯片和溫感隔膜來調節已有的冷熱水，使用者只需將需要的溫度輸入在外壁的內嵌顯示器，就可以通過內部的軟件和集成芯片來調動溫感隔膜進出冷熱水來滿足需求[3]。

2 多功能杯設計原理

設計原理框架如圖1所示。

圖1 設計原理框架

2.1 深層過濾

深層過濾采用的凈水方法是紫外線消毒，借助活性炭吸附作用，在杯蓋內頂部安裝上了紫外線殺菌燈，即一種利用紫外線殺菌作用進行滅菌消毒的燈具。紫外線消毒是其他技術沒有辦法比擬的，殺菌效率可達99%～99.9%，主要作用于微生物的DNA，破壞DNA的結構，使其失去繁殖能力，達到消毒滅菌的目的。該波段紫外線的殺菌能力最強（規格為15 W），平均壽命為8 000 h。

2.2 “不倒翁”設計

平時在喝水的時候都會遇到一不小心把水撒了出去的情況，不僅會使物品受到損毀，人身安全還會受到危害。多功能杯底部加有合適的配重，當受到力的撞擊時，會立即把杯蓋合上，杯底類似于“不倒翁”的底座，所以不會造成損失，巧妙地利用鋰電池的重量，把杯子設計得更加安全。

2.3 調節水溫

杯子中間加一層健康無危害的高分子溫感隔膜，隔膜由羥基磷灰石納米構成，有足夠的化學和電化學穩定性，足夠的機械強度，非常薄，表面多孔有序，保證水分子的正常通過，該膜可實現在150 °的高溫下安全工作，在杯子底部加上集成芯片，在杯子外壁內嵌顯示屏，事先把開水和冷水加入隔膜中，杯子可以帶保溫系統，系統電能由環保的鋰電池提供。

2.4 缺水定時提醒

當人體缺水的時候就會出現一些問題，比如皮膚干燥、頭發干枯等。多功能水杯可以用藍牙鏈接手機，如果人體缺水了會自動發送信息給手機，具體到需要喝多少升的水，水杯也會自動調整到適宜飲用的水溫。每天攝入標準水分，會使身體長時間地保持健康狀態[4]。

2.5 健康環保

保溫杯采用銅膽，銅的密度較高，相對于鋁鐵而言，分解量更少，比鐵鋁更穩定。用銅內壁在一定溫度下可以析出微量銅元素，補充銅微量元素，這些元素是其他地方得不到的。銅具有殺菌作用，是合成血紅蛋白的催化劑，對身體有益，發達國家基本上用銅作為自來水管線。

2.6 一鍵啟動

杯子外壁內嵌顯示屏，需要多少度的水只需在外屏輸入相應的數字，溫感隔膜在集成芯片的控制下通過熱水進冷水進行調節，達到所需要的水溫，使大眾可以短時間內喝到適溫水[4]。整體結構如圖2所示。

圖2 多功能冷熱一體杯構造

3 結語

多功能冷熱一體杯的設計涉及了多個學科范疇，包括電子、自動控制等，是一個綜合性應用研究課題。本設計以飲用水健康為目的，設計功能多樣的智能杯，智能化的設計可以極大地方便人類的生活。產品系統協調穩定、安全可靠，具有較強的實用性，具有產品化意義。