基于Solid Works的實木電火箱取暖器設計

冉棚水， 李貴川， 陳長益

（1.長江師范學院機械與電氣工程學院，重慶408100；2.西南大學電子信息工程學院，重慶400715）

0 引言

受地理環(huán)境影響，在我國的渝東南、湖南、安徽、江西等長江濕冷地區(qū)以及高寒山區(qū)的人們冬天常采用實木電火箱取暖器取暖。隨著生活水平的提高，實木電火箱取暖器已成為每個家庭的必備家具之一。目前主流的實木電火箱取暖器溫度調(diào)節(jié)性能差，人們使用完成后容易忘記關閉取暖器而引發(fā)火災，因此使其成為冬天火災的重要原因之一。因溫度調(diào)節(jié)性能差傳統(tǒng)的電火箱取暖器耗能亦較高。據(jù)市場調(diào)查，目前市售電火箱取暖器外觀尺寸單一、體積龐大，運輸安裝不便，更難以滿足不同家庭的需求，這與“智能人性家居”的理念極不相符。鑒于實際情況，本文基于SolidWorks設計了一款安全、節(jié)能、人性化的實木電火箱取暖器。

1 恒溫控制

1.1 恒溫控制類別

常用的恒溫控制方法有單片機（芯片）控制、PLC控制、PID控制。PLC是一種可編程邏輯控制器，它利用可編程存儲器實現(xiàn)內(nèi)部程序存儲、順序控制、邏輯運算等面向用戶的各類指令，并通過數(shù)字或模擬量的輸入、輸出控制各種硬件設備。PLC恒溫控制系統(tǒng)雖然功能強大，但是其體積龐大、成本極高的缺點難以作為電火箱取暖器的控制系統(tǒng)。

PID恒溫控制系統(tǒng)的信號來源是通過熱敏電阻進行數(shù)模轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字信號，在密閉的電火箱內(nèi)該過程對系統(tǒng)的信號獲取影響較大?？傮w看來PID恒溫控制用于實木電火箱取暖器較為復雜，成本較高、控制準確性不高，因此亦不適用于本設計。

單片機是一種集成電路芯片，其體積小、功能齊全、性價比極高，廣泛應用于工業(yè)自動控制。目前單片機溫控芯片在恒溫控制領域使用較為成熟，鑒于實際情況，本設計的恒溫控制系統(tǒng)宜以單片機溫控芯片作為核心控制元件，在滿足設計要求的前提下可達到節(jié)能穩(wěn)定、安全可靠的效果。

圖1 恒溫自動控制原理圖

1.2 基本原理

本設計溫度控制原理如圖1所示，給定信號U1與反饋信號U2在比較元件中進行比較可得出偏差的大小和方向。比較信號Δu作為恒溫控制系統(tǒng)的輸入信號，恒溫控制系統(tǒng)經(jīng)過計算比較以完成發(fā)熱系統(tǒng)輸入電壓的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié),最終實現(xiàn)恒溫控制和節(jié)能的目的。恒溫控制電路如圖2所示。RL是發(fā)熱系統(tǒng)中的發(fā)熱絲，Rt是正溫度系數(shù)開關型熱敏電阻。被測溫度小于Rt的居里點時，Rt阻值很小，5S芯片模塊的輸入信號為低電平，芯片內(nèi)部電路導通，RL通電發(fā)熱。當被測溫度高于Rt居里點時，Rt的阻值開始階躍升高，同時5S芯片模塊輸入信號電位急劇增加，芯片模塊內(nèi)部電路變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)，RL停止發(fā)熱。待被測溫度下降至Rt居里點以下時，5S芯片模塊又接通工作，RL開始通電發(fā)熱。發(fā)熱系統(tǒng)如上述周而復始循環(huán)工作，保持電熱絲溫度的相對恒定。

因為本設計的發(fā)熱系統(tǒng)溫度可控，始終在設定范圍內(nèi)波動且低于所用木材和棉絮的燃點，所以本設計相對于傳統(tǒng)的實木電火箱取暖器的安全性能將得到極大提高，火災發(fā)生率大幅降低。同時相對于傳統(tǒng)的電火箱其功率也將降低。達到了恒溫、安全和節(jié)能的目的。

圖2 5S恒溫控制電路

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖3和圖4所示，該實木電火箱取暖器主要由內(nèi)箱體、外箱體、格柵板組成。為了健康環(huán)保、美觀和尊重傳統(tǒng)習慣，內(nèi)外箱體和格柵板均采用實木材料。內(nèi)外箱體木板厚度采用國家標準設計，利于在制造過程中使用氣槍釘固定。內(nèi)箱體的核心部件為發(fā)熱系統(tǒng)和溫度傳感器。發(fā)熱系統(tǒng)由熱量反射板、陶瓷基座、石英管及發(fā)熱絲組成，發(fā)熱系統(tǒng)安裝在內(nèi)箱體底部。發(fā)熱系統(tǒng)作為用電器與恒溫控制系統(tǒng)串聯(lián)。溫度傳感器利用木螺釘固定在內(nèi)箱體側(cè)壁，為了測量的準確性和全面性，前側(cè)壁和后側(cè)壁各安裝1個溫度傳感器，2個溫度傳感器串聯(lián)后作為信號輸入端接入恒溫控制系統(tǒng)中。

圖3 實木電火箱取暖器內(nèi)箱體

圖4 實木電火箱取暖器外箱體

外箱體主要起到固定聯(lián)接作用，用于固定內(nèi)箱體、格柵板、恒溫控制模塊和電源開關，外箱體也可以通過螺栓與其它外箱體剛性聯(lián)接。恒溫控制模塊和電源開關利用木螺釘固定在外箱體前側(cè)壁的槽口中。恒溫控制模塊和電源開關串聯(lián)之后再與發(fā)熱系統(tǒng)串聯(lián)，聯(lián)接線路由內(nèi)箱體前側(cè)壁導線孔引出。為保證線路安全可靠，發(fā)熱系統(tǒng)與其他線路之間采用冷聯(lián)接。內(nèi)箱體與外箱體之間通過氣槍釘形成永久固定。根據(jù)市場調(diào)查實木電火箱取暖器平均長度尺寸有 600 mm、1 000 mm、1 600 mm、2 000 mm 4種規(guī)格，因此本設計的實木電火箱共4種類型。長度不同的4種電火箱能以模塊形式拼裝組合出10種長度不同的電火箱，加上原始模塊可形成14種長度不一的型號，能滿足不同用戶的需求。

2.2 格柵板

格柵板主要作用是支撐人體。在使用實木電火箱取暖器時人體雙腳放于格柵板上，因此格柵板具備一定承載能力，同時保證與發(fā)熱系統(tǒng)有合適的間距。從人體工程學角度出發(fā)，將格柵板與人體接觸部分設計為橫向分布可使舒適感增強。即格柵板由若干根橫向支撐條和4根縱向支撐條組合而成，橫向支撐條位于上方與人體直接接觸，縱向支撐條位于下方并均勻分布。在內(nèi)箱體的前后側(cè)壁上分別開有4個槽口并分別與4根縱向支撐條相對應，在中間的4個槽口正下方安裝有4根支撐柱起到支撐加固的作用。支撐柱的尺寸與格柵條的尺寸一致利于加工。格柵板沿著外箱體上下取放，使用時放下卡入內(nèi)箱體槽口中，檢修或者組裝時向上取出。

格柵板與發(fā)熱系統(tǒng)的距離以及格柵板橫向支撐條的疏密程度對于電火箱整體安全性能有著極大的影響。格柵板必須與發(fā)熱系統(tǒng)保持最合適的距離才能使吸熱與散熱平衡，以達到在保證安全前提下最大限度節(jié)省電能。最適距離通過大量實驗取得定為L適作為本設計的重要參數(shù)之一。格柵板橫向支撐條的疏密程度用l適表示，該數(shù)據(jù)同樣利用大量實驗獲得且作為本設計的重要參數(shù)之一。當電火箱寬度發(fā)生變化時L適與l適保持不變，在寬度方向平均分布，如出現(xiàn)不能均分時前面的保證均分最后一根支撐條作為調(diào)整對象。

格柵板底部裝訂有鋼絲網(wǎng)，有利于熱量向上傳導同時可防止雜物掉落損壞發(fā)熱系統(tǒng)。

2.3 聯(lián)接組合

模塊化是本設計的創(chuàng)新點之一。根據(jù)前述的4種尺寸不同的電火箱模塊可按用戶需求臨時組合。在實木電火箱取暖器機械結(jié)構(gòu)中，用于拼裝的模塊是可分解、更換的獨立單元。模塊化思想是把復雜機構(gòu)分解成為多個簡潔易操作模塊的方式。它可以通過對不同零件的設定并實現(xiàn)不同的功能。本設計中各個電火箱取暖器可獨立工作，即使獨立的電火箱取暖器模塊出現(xiàn)故障也不影響整個系統(tǒng)正常工作。這樣的安裝方式可確保每個獨立的電火箱取暖器高效率運行，同時可以節(jié)約電能，提高安全系數(shù)。

如圖5所示，每個模塊的左端板可拆卸，模塊單獨使用時左端板固定不動，當需要組合時2個模塊分別拆卸左端板再形成機械聯(lián)接。模塊尺寸的選擇根據(jù)使用場所而定。內(nèi)外箱體通過氣槍釘永久固定，其左端是聯(lián)接機構(gòu)，如圖6所示。前后頂板、左頂板和內(nèi)箱體左端板上有螺栓孔，用于安裝聯(lián)接螺栓。單獨使用時左端板和內(nèi)箱體通過2根螺栓聯(lián)接，左端板和前后頂板利用聯(lián)接鋼板和螺栓固定。如需組合2個模塊的內(nèi)箱用上述同樣螺栓聯(lián)接，前后頂板利用上述同一聯(lián)接鋼板、螺栓聯(lián)接。

圖5 外箱體端板結(jié)構(gòu)

圖6 外箱體聯(lián)接機構(gòu)

3 供電線路連接方式

模塊單獨使用時供電插頭直接接入插座中即可獲取電能。當拼裝組合形成新的電火箱體后系統(tǒng)將出現(xiàn)多個供電插頭，此時每個插頭仍可直接接入插座，亦可將多出的插頭接入模塊220 V供電插孔中。使用環(huán)境線路簡單時可把每個模塊的插頭分別接入插座，2個模塊可互不干擾獨立運行。為了實現(xiàn)線路簡潔化，可把第二個模塊插頭接入上一模塊供電插孔中，但兩模塊的獨立運行性能將受到影響。

4結(jié)語

本設計成功解決了傳統(tǒng)實木電火箱取暖器的火災發(fā)生率高、耗能高和體積龐大不能拆卸組裝的缺點，具有很高的實用價值和可行性。其中的恒溫系統(tǒng)較目前已使用恒溫技術(shù)的實木電火箱取暖器有測溫均勻全面、靈敏度高和價格低廉的優(yōu)勢?？山M合功能使得該設計人性化，可大范圍推廣。該設計成功地把工業(yè)上常用技術(shù)與思想應用到了生活家居之中。

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