便攜式加熱制冷杯設計

（東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088）

1 研究加熱制冷杯背景

在日常生活中，人們往往會遇到這種情況，夏天一熱就想立馬來點冰鎮可樂，冬天一冷，就想來點熱飲暖暖身子。本團隊致力于研究可以兩全的辦法，即以現有的加熱杯墊為原型，在制熱的基礎上增加了制冷的功能，且加快了加熱速度，使其更加便利。

2 加熱制冷杯的技術組成

本團隊將半導體制冷與加熱的控制技術與單片機原理的集合，作為產品的技術核心，來設計整個杯體。

2.1 半導體原理介紹

加熱制冷杯總線路如圖1所示，電路圖包含了整個加熱制冷杯三大功能：加熱功能、制冷功能和散熱功能。該電路圖包括防短路系統[1]。

2.2 制冷工作流程

接上插頭后，按一下按鍵，燈為綠色則表明為制冷狀態。直接按下杯底的按鍵，杯子內置的溫度以及壓強傳感器檢測壓力后，開始工作。杯子利用單片機控制半導體冷熱片，進行制冷的半導體貼近杯體一側開始制冷，并帶動排風風扇轉動使外殼和內杯之間的風道產生氣流，而杯底與金屬片完全接觸后，達到一定的制冷溫度，從而由單片機控制電路斷電從而達到制冷的目的[1]。

2.3 加熱工作流程

接通電源后，長按按鍵直到燈變為紅色，則表明為加熱狀態，根據半導體制冷片的工作特性，如果開始換動電極，那么在原有制冷基礎上會開始進行加熱，同樣按下杯底的右按鍵。溫度以及壓強感應器起初檢測水溫和壓力后，單片機開始控制加熱，從而達到穩定的溫度[2]。

以下為冷熱轉換工作部分原理如圖2所示。杯子通過開關來致冷或致熱。K2為雙刀雙擲撥動開關，K2打到1時為致熱狀態，致冷塊電壓上負下正。當K2打到2時，致冷塊電壓變為上正下負，為致冷狀態。致冷時，綠色指示燈LED1亮;致熱時，紅色指示燈LED2亮[3]。

圖1 加熱制冷杯總線路

圖2 冷熱轉化原理

3 加熱制冷杯的結構組成以及結構設計

組成：整個加熱制冷杯主要有外殼、底座（見圖3—4）、固定導熱杯、電源插頭、杯底。而杯底包含各種元器件（半導體制冷片、單片機、傳感器等）。在整個結構中，外殼主要起支持和保護作用，外殼的側面具有兩個散熱口。底座也設計了高達3 cm的懸置高度，用于散熱。

結構設計：在設計整體加熱制冷的杯體時，以質量小、體積小的目的出發，以最基礎的底座為起點，團隊經過多次修改，最終以8 cm×8 cm×8 cm為最終長寬高，其余的結構為了盡量減少加工的目的而設計。以下是關于結構外形的三維建模。

圖3 外形側視體

圖4 底座

在設計該三維建模過程中，關于整體杯壁的厚度問題，本團隊嘗試了多個數據，考慮到產品最后成形的價格問題，最終選擇了4 cm。在設計杯底的時候，團隊考慮到產品工作時的散熱問題，在整個杯體兩側面以及底面分別設有一定的通槽。

在設計底座時，團隊考慮到產品放在桌面的摩擦力，為了盡量使得杯子不易滑動，在底面設計了小凹槽，可加上防滑的墊片。

在設計蓋子時，團隊考慮到杯子的美觀性，采用了過盈鏈接，使之嵌入在杯體中，且在杯蓋的槽中加入一圈的墊片，使之密閉性更好。

4 加熱制冷杯內置裝配圖

雖然有了半導體片、散熱風扇（見圖5—6）外殼等，但是杯子的裝配過程是一項技術活。下列為內置裝配步驟。

圖5 散熱風扇

圖6 半導體片

（1）先將散熱風扇嵌入提前設計好的凹槽中，并與之相連的核心組件制冷半導體片及其相連的電路放在散熱風扇的上方。

（2）放置好散熱裝置與核心加熱裝置后，其上的電線有序放進卡線槽里，避免線路短路以及受熱軟化。

（3）安放導熱鋁杯。

（4）安裝蓋子。在安裝實物時，團隊考慮到安裝時的氣密性問題，在蓋子內側安裝了橡膠圈，通過調整橡膠圈的厚度，可控制其松緊程度。

5 加熱制冷杯的性能

5.1 便攜

從購買元器件到設計圖紙，團隊始終保持著一個理念：便攜。這也是設計的最初目的。人們無論居家還是出差，加熱制冷杯像充電寶一樣便攜，團隊進行了多次數據的對比，認為8 cm×8 cm×8 cm參數的長方體是最優設計。

5.2 高效

百公里加速或者百公里油耗是汽車的評測標準。加熱制冷杯也有自己獨一無二的評測標準，即加熱制冷速度（從某一個溫度加熱或制冷到某個溫度的時間快慢）。加熱制冷速度是本研究團隊主攻的第二大方向，在進行加熱或制冷速率實驗中，表面板常溫25 ℃加熱到80 ℃耗時215 s并且可保溫。在55 s內，表面板溫度從常溫立即冷卻到0 ℃。測得溫降率為0.455 25 ℃/s。這兩個數據表明本產品的制冷和加熱性能。

5.3 節能

產品是否耗電的問題顯得尤為重要，考慮到機器的功率大小問題，團隊在不斷采集數據，爭取將能耗、噪音降到最低。最后，確定杯子通電接口為3 A、總功率為36 W時能耗最低，而且3 A附帶12 V電壓的充電端口，比較普適、節能且減排。

6 結語

在進行設計的同時，團隊嘗試加入一些新功能比如加熱制冷的溫度顯示、加熱、制冷、保溫顯示燈、電路的合理設計、線路優化和外觀的美觀性等，團隊也會在后期進一步優化設計，給人們帶來便利。