基于強(qiáng)化傳熱保溫降溫新型兩用杯的研究設(shè)計(jì)

尤運(yùn) 張立昂 涂釗 姜未汀 潘衛(wèi)國(guó)

摘 要：文章研究設(shè)計(jì)了一種利用熱管原理進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯。該杯可以隨時(shí)隨地靈活實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定保溫或快速降溫功能，在需要保溫時(shí)，利用熱管沿徑向方向?qū)嵯禂?shù)小的原理，進(jìn)行穩(wěn)定保溫；在需要降溫時(shí)，利用熱管沿軸向方向?qū)嵯禂?shù)大的原理，進(jìn)行快速降溫。文章詳細(xì)地從保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)模型、實(shí)施方式和發(fā)展前景等多方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：熱管原理；強(qiáng)化傳熱；保溫降溫；可轉(zhuǎn)換式兩用杯

中圖分類(lèi)號(hào)：TM26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0104-02

Abstract： In this paper， a kind of heat preservation and cooling converter cup with heat pipe principle is designed. This cup can flexibly realize the function of stable heat preservation or rapid cooling at any time and anywhere. When heat preservation is needed， the heat pipe can be stabilized by using the principle of small thermal conductivity along the radial direction. Using the principle of large thermal conductivity along the axial direction of the heat pipe， the rapid cooling is carried out. In this paper， the design principle， design model， implementation mode and development prospect of the heat preservation and cooling convertible dual purpose cup are described in detail.

Keywords： heat pipe principle； enhanced heat transfer； heat preservation and cooling； convertible dual purpose cup

引言

在節(jié)能減排的新時(shí)代背景下，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)保溫杯人性化功能的需求也越發(fā)強(qiáng)烈。在日常生活中，非可調(diào)設(shè)式保溫杯越發(fā)表現(xiàn)出其短板。例如保溫杯的保溫效果有時(shí)也會(huì)成為負(fù)擔(dān)，當(dāng)你口渴的時(shí)候，急切的想喝一杯溫水，這個(gè)時(shí)候的保溫杯的表現(xiàn)就差強(qiáng)人意了，出眾的保溫效果反而成了缺點(diǎn)?？梢?jiàn)，非可調(diào)節(jié)式保溫杯只能實(shí)現(xiàn)單純的保溫功能，不能滿(mǎn)足大部分人的真實(shí)需求。而可調(diào)節(jié)式保溫杯可以根據(jù)使用者的設(shè)定，選擇穩(wěn)定保溫或快速降溫，這樣這一問(wèn)題就可以有效解決了。

1 設(shè)計(jì)原理

熱管技術(shù)是利用了熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力[1-3]。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來(lái)獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)同樣可以得到滿(mǎn)意效果，開(kāi)辟了散熱行業(yè)的新天地[4，5]。

本文主要是利用熱管沿軸向方向?qū)嵯禂?shù)大，在徑向方向?qū)嵯禂?shù)小的原理，通過(guò)活動(dòng)散熱組件與內(nèi)杯壁平行和垂直兩個(gè)放置位置，使得杯子同時(shí)具有保溫和降溫兩個(gè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)一杯兩用，靈活調(diào)節(jié)[6-8]。

2 設(shè)計(jì)模型

保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。該兩用杯分為杯蓋1，杯身兩個(gè)部分，杯蓋1由不銹鋼杯蓋和通用橡膠密封圈6組成，杯蓋1內(nèi)壁有螺紋，與杯身突出的螺紋相符合，保證兩用杯整體不會(huì)漏水。杯身由內(nèi)至外由內(nèi)杯壁4、保溫層2、外杯壁5組成。內(nèi)杯壁4和外杯壁5由不銹鋼材料制成。保溫層2內(nèi)部由隔熱材料所填充，采用塑料發(fā)泡材料作為填充材料。外杯壁5上設(shè)有活動(dòng)散熱組件3，該活動(dòng)散熱組件3由四分之三的圓環(huán)與熱管7相切，并且將圓心固定于外杯壁5的加工好的缺口處，并且留下一橫軸8穿過(guò)圓心使圓環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90度。當(dāng)正常使用時(shí)，使熱管7垂直放置；需要使用時(shí)，通過(guò)滾動(dòng)圓環(huán)，使熱管7旋轉(zhuǎn)90度，與放置于內(nèi)杯壁4的不銹鋼凹槽相連?；顒?dòng)散熱組件3的四周采用隔熱材料玻璃纖維將熱管7與隔熱材料相分離。

其中，活動(dòng)散熱組件3的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。活動(dòng)散熱組件3包括活動(dòng)環(huán)和熱管7，活動(dòng)環(huán)為四分之三的圓環(huán)，活動(dòng)環(huán)的圓心固定于外杯壁5上，熱管7固定于活動(dòng)環(huán)的四分之一缺口處，活動(dòng)環(huán)的中心設(shè)有橫軸8，活動(dòng)環(huán)帶動(dòng)熱管7繞橫軸8轉(zhuǎn)動(dòng)?；顒?dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不超過(guò)90度。熱管7在保溫狀態(tài)下與內(nèi)杯壁4平行，在降溫狀態(tài)下與內(nèi)杯壁4垂直。內(nèi)杯壁4上還設(shè)有與活動(dòng)散熱組件3匹配的空槽9，空槽9在降溫狀態(tài)下容納活動(dòng)散熱組件3。空槽9內(nèi)還設(shè)有橡膠?；顒?dòng)散熱組件3與保溫層2之間還設(shè)有玻璃纖維。內(nèi)杯壁4和外杯壁5均為不銹鋼杯壁。杯蓋1包括杯蓋本體和橡膠密封圈6，橡膠密封圈6分別與杯蓋本體和兩用杯身連接。活動(dòng)散熱組件3的數(shù)量為6～10個(gè)。

在外杯壁5均勻挖去8個(gè)空槽，長(zhǎng)度略大于活動(dòng)散熱組件中的圓環(huán)的直徑長(zhǎng)度，寬度略大于活動(dòng)散熱組件中的圓環(huán)的寬度。為保證活動(dòng)散熱組件可以完美放置進(jìn)入空槽9內(nèi)，并不限制圓環(huán)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，可以在空槽9內(nèi)鋪設(shè)一些通用橡膠，這樣也可以保證一定程度的密封性。同時(shí)每個(gè)空槽9中間要留一根不銹鋼軸，其直徑略小于圓環(huán)內(nèi)預(yù)留的圓孔直徑。保溫層2的厚度略大于活動(dòng)散熱組件的長(zhǎng)度，并在內(nèi)杯壁4對(duì)應(yīng)位置安裝一不銹鋼凹槽，與熱管7頂部凸起可以大致吻合。保證活動(dòng)散熱組件連接時(shí)，熱管7可以連接內(nèi)杯壁4和外杯壁5，保證該設(shè)計(jì)可以正常使用其快速降溫功能。

3 實(shí)施方式

該保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯在使用時(shí)，首先在杯子中倒入熱水，并轉(zhuǎn)動(dòng)圓環(huán)使得熱管7與保溫杯內(nèi)壁平行，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水的保溫，若使用者需要對(duì)熱水進(jìn)行快速降溫，則轉(zhuǎn)動(dòng)圓環(huán)，從而使得熱管7與內(nèi)壁垂直，并使熱管7與內(nèi)壁的空槽9相連，通過(guò)熱管7的散熱性能，達(dá)到快速降溫杯中水的目的。

4 發(fā)展前景及結(jié)論

目前，市場(chǎng)上的水杯大多都只為實(shí)現(xiàn)盛水、單純保溫而設(shè)計(jì)，并不能進(jìn)行快速降溫。而保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯的設(shè)計(jì)以最直接、高效、環(huán)保的制冷方式，讓溫度“速降”從此開(kāi)始變得如此簡(jiǎn)單。因此保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯可以實(shí)現(xiàn)人性化的功能，能給人們提供更好的服務(wù)。相信隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，保溫降溫可轉(zhuǎn)換式兩用杯可以滿(mǎn)足未來(lái)人性化的需求，將有很好的市場(chǎng)發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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