一種適于野外作業(yè)用多功能太陽能保溫水杯設(shè)計

陳夢琳，董春芳，李 鑫，趙 歡，裴笑閱

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

水杯是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚奈锲?，尤其對于從事林區(qū)作業(yè)和森林資源調(diào)查等工作的人員來說，由于工作環(huán)境比較艱苦，野外工作量大，甚至需要在氣溫較低情況下進行長時間工作，因此一款方便實用的保溫水杯是進行外業(yè)工作時選擇攜帶的首要物品。隨著科技的發(fā)展和人們對生活品質(zhì)要求的不斷提升，水杯的造型和功能越來越多樣化，如面向大眾的各類普通水杯和保溫水杯，面向養(yǎng)生需求人群的各類功能性水杯，面向走在潮流前端年輕人的各種智能水杯等等［1-3］。但這些功能對于進行野外作業(yè)的林業(yè)工作者而言意義不大，而普通保溫水杯保溫時長有限，因此設(shè)計一款簡單實用的多功能保溫水杯不僅能夠滿足進行外業(yè)的各類工作人員需要，也適合長時間戶外活動的人群使用，會具有廣闊的市場前景。

1 多功能保溫水杯需求分析

目前市場上的保溫水杯種類樣式繁多，就其功能來說只有單一的保溫功能，在室溫條件下保溫時長平均為3～5 h。對于經(jīng)常在野外作業(yè)的人而言，除了對熱水的需求外，有時還有辨別方向、照明、手機等電子設(shè)備應(yīng)急充電等需求，雖然這些需求有相應(yīng)的物品來滿足，但有些物品體積較小容易丟失，如果將它們集成在一起則更方便攜帶。對于這種集多種功能于一體的保溫水杯設(shè)計還應(yīng)以使用人群的需求分析為基礎(chǔ)，而質(zhì)量功能展開(QFD)作為一種基于需求分析的產(chǎn)品逆向開發(fā)方法可以有效實現(xiàn)由需求到產(chǎn)品功能要素的轉(zhuǎn)換［4］。由于東北林業(yè)大學(xué)一些科研試驗、調(diào)查取樣等經(jīng)常需要在林區(qū)進行，因此本文以東北林業(yè)大學(xué)師生為調(diào)查對象，根據(jù)需求調(diào)查結(jié)果再通過QFD方法確定保溫水杯的功能要求并以此確定結(jié)構(gòu)方案，調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 The result of questionnaire

由表1可以看出，進行外業(yè)的人員更希望水杯功能有所增加。根據(jù)對調(diào)查問卷中各種功能需求進行整理歸納，得到展開的功能需求與功能要素展開表，見表2。

表2 功能需求與功能要素展開表Tab.2 Deployment of function requirements and elements

將功能需求間的關(guān)聯(lián)度從極強到極弱賦值1～9，采用層次分析法(AHP)對功能需求重要度進行評定［4］。對每一項功能需求與功能要素間相關(guān)關(guān)系進行打分，用◎、○、△分別代表強相關(guān)、相關(guān)和弱相關(guān)，得到功能需求與功能要素相關(guān)矩陣表，見表3。

表3 功能需求與功能要素相關(guān)矩陣表Tab.3 Correlation matrix of function requirements and elements

表3中所列出的各功能要素重要度排序作為多功能保溫水杯設(shè)計的依據(jù)。在野外活動或作業(yè)時，由于保溫水杯都放在背包外置網(wǎng)袋中，不適合手持照明，而且在重要度排序中照明裝置重要度最低，因此在設(shè)計時暫不考慮該功能。

2 總體方案

根據(jù)表3給出的功能要素重要度，本著便攜實用的目的，將加熱、蓄電、驅(qū)蚊、太陽能利用等功能結(jié)合設(shè)計一種多功能保溫水杯，水杯整體上由杯蓋、保溫外殼、內(nèi)膽、杯底、杯把、太陽能板、加熱裝置、溫控開關(guān)、鋰電池和指南針等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水杯整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of solar thermos flask

當(dāng)水溫低于25℃時，溫控開關(guān)將太陽能電池板與加熱裝置接通，太陽能電池板即開始工作，當(dāng)水溫達到某一溫度值時，溫控開關(guān)將電池板與加熱裝置斷開。當(dāng)不需要給水杯加熱時，按下充電轉(zhuǎn)換開關(guān)，太陽能板即與鋰電池充電電路接通進行充電。當(dāng)需要給電子設(shè)備進行應(yīng)急充電時，用外接數(shù)據(jù)線將鋰電池與電子設(shè)備連接，系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 The work principle

3 水杯功能的詳細(xì)設(shè)計

水杯主要功能為加熱保溫、蓄電、驅(qū)蚊和方向指示，各部分功能由下列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

(1)杯蓋、內(nèi)膽和杯底均采用食品級不銹鋼材料制成，杯蓋與杯體通過螺紋連接。杯蓋設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，杯蓋上下層通過螺紋擰緊，杯蓋上下層間形成的空間可作為儲物格放置藥片等零散易失的小物品，杯蓋內(nèi)側(cè)為聚丙烯材料的螺塞，防止漏氣或漏水從而延長溫度保溫時間。杯蓋頂部設(shè)有凹槽，在凹槽內(nèi)部嵌入指南針，方便人們辨別方向。杯蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙層杯蓋結(jié)構(gòu)Fig.3 Double-layer structure of lid

(2)杯子外殼為塑料材質(zhì)，保溫效果好。保溫外殼與內(nèi)膽間填充絕熱性良好的保溫材料以延長水杯保溫時間。

(3)保溫外殼做成橢圓方形，杯把安裝在保溫外殼上，三塊太陽能電池板分別嵌入保溫外殼三個表面。電池板采用柔性薄膜太陽能電池板，其重量比雙層玻璃的太陽能電池片組件輕80%，適用于設(shè)計到便攜式產(chǎn)品上［5］。柔性加熱片貼附于內(nèi)膽外壁上，電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能，通過溫控開關(guān)與加熱片連接。

(4)太陽能電池板除了給加熱片供電外，還要與設(shè)置于杯底底部的鋰電池連接給其蓄電，當(dāng)有需要時，可通過杯底部的USB插口給手機等電子產(chǎn)品應(yīng)急充電。

(5)超聲波驅(qū)蚊器由于采用聲波共振技術(shù)來達到驅(qū)蚊的目的，綠色環(huán)保，因此在水杯外殼一側(cè)加裝一個聲波裝置，通過開關(guān)設(shè)定由太陽能電池板或鋰電池供電。

(6)杯子底部進行防滑設(shè)計，并設(shè)計旋蓋，需要檢查底部線路時可將旋蓋打開。

4 結(jié)束語

太陽能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源在工業(yè)和農(nóng)業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，隨著太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于人們的日常生活。針對人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛使用的保溫水杯，結(jié)合問卷調(diào)查分析，本文提出了一種適合林業(yè)野外作業(yè)或戶外活動攜帶的多功能保溫水杯設(shè)計方案，將太陽能加熱、蓄電和聲波驅(qū)蚊等功能結(jié)合為一體，可以解決人們在野外沒有電源加熱水和手機等電子設(shè)備應(yīng)急充電等需求，彌補普通保溫水杯功能單一的缺點，方便野外作業(yè)人員的應(yīng)急需求。

［1］趙美玲.基于大學(xué)生需求的一項產(chǎn)品概念設(shè)計-智能人性化水杯［J］.中國市場，2013(13):23-25.

［2］李博文，王志坤，孫如軍.新型多功能水杯的研究［J］.電子世界，2014(9):71.

［3］周 天，詹 云.為便捷而設(shè)計-多功能水杯的設(shè)計研究與實踐［J］.藝術(shù)科技，2014(3):39.

［4］宋 欣，郭 偉，劉建琴.QFD中用戶需求到技術(shù)特性的映射方法［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2010，43(2):174-180.

［5］任龍杰，魏民祥.簡易太陽能熱水杯的設(shè)計及節(jié)能分析［J］.節(jié)能，2006(9):41-43.