一種多功能磁力攪拌杯設(shè)計(jì)

付軼雯　朱登雷

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種多功能磁力攪拌杯，主要給出了其整體結(jié)構(gòu)、自發(fā)電機(jī)構(gòu)、磁力攪拌機(jī)構(gòu)、攪拌粒及應(yīng)急充電等方面的設(shè)計(jì)方案。該攪拌杯不僅便于清洗，而且無(wú)需外接電源或使用電池供電，利用溫差發(fā)電片將熱水的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能，從而驅(qū)動(dòng)攪拌的進(jìn)行。此外，其還能為手機(jī)等電子設(shè)備提供電能，可作為應(yīng)急充電的“充電寶”。

關(guān)鍵詞：攪拌杯;磁力攪拌;溫差發(fā)電;應(yīng)急充電

Abstract： In this paper， a multi-functional magnetic stirring cup was designed. The design schemes of its overall structure， self-generating mechanism， magnetic stirring mechanism， stirring particles and emergency charging were given. The stirring cup is not only easy to clean， but also does not need external power supply or battery power supply. The internal energy of hot water is converted into electricity by using thermoelectric power sheet， so as to drive the stirring process. In addition， it can also provide electricity for mobile phones and other electronic devices， and can be used as a "charging treasure" for emergency charging.

Keywords： mixing cup;magnetic stirring; thermoelectric generation;emergency charging

隨著生活質(zhì)量的逐步提高，人們居家或外出時(shí)，除了飲水，也會(huì)更多地選擇口感較好的飲品或具有保健作用的沖劑來(lái)豐富味蕾、強(qiáng)身健體。若飲用沖劑類飲品，通常人們會(huì)選擇用筷子、吸管、勺子等工具輔助攪拌，或通過(guò)搖晃杯子的方式來(lái)將飲品混合均勻。但這些方式存在一定的弊端，如不夠衛(wèi)生、不容易混合均勻、無(wú)法溶解杯子底部結(jié)塊的沖劑，從而導(dǎo)致口感偏淡且造成浪費(fèi)。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)帶有自動(dòng)攪拌功能的攪拌杯尤為必要。

1 攪拌杯簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀分析

目前，市面上有需要插電的攪拌杯出售，方便了人們攪拌飲品，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題。比如，其結(jié)構(gòu)一般是在杯底中心部位設(shè)轉(zhuǎn)軸，攪拌葉片置于杯內(nèi)固定在轉(zhuǎn)軸之上，通過(guò)攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)來(lái)攪拌飲品。但是，此類電動(dòng)攪拌杯的攪拌葉片無(wú)法取出，導(dǎo)致杯子無(wú)法徹底清洗;轉(zhuǎn)軸與杯體的連接處需要做密封處理，長(zhǎng)期使用容易損壞，導(dǎo)致杯子漏水。更重要的是，此種攪拌杯需要外部電源供電，人們?cè)趹敉庹也坏诫娫椿虿缓谜译娫吹牡胤剑摂嚢璞蜔o(wú)法使用。

同時(shí)，考慮到現(xiàn)在人們使用的手機(jī)耗電量大，在戶外攜帶充電寶不方便或充電寶沒電時(shí)手機(jī)也將無(wú)法充電，導(dǎo)致通信受阻。所以，設(shè)計(jì)一款既能不外接電源就可以攪拌飲品，又能借助熱水來(lái)產(chǎn)生電能，完成對(duì)手機(jī)充電的攪拌杯就顯得尤為重要。

2 多功能磁力攪拌杯的設(shè)計(jì)

2.1 多功能磁力攪拌杯外觀特征

本文所設(shè)計(jì)的多功能磁力攪拌杯包括杯蓋與杯體兩部分。杯體為雙層中空不銹鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層在水杯杯口位置通過(guò)機(jī)械沖壓使之成為一個(gè)密閉整體，中空部分抽真空，通過(guò)此結(jié)構(gòu)使飲品保溫，同時(shí)提高杯體內(nèi)外壁的溫差，從而保證溫差發(fā)電片的發(fā)電效率。杯體上設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)及USB接口。其中，USB接口用來(lái)對(duì)外供電。轉(zhuǎn)換開關(guān)有兩個(gè)作用：一是控制攪拌的啟動(dòng)或者停止;二是控制USB接口是否供電。攪拌與USB接口的供電采用聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)攪拌進(jìn)行時(shí)，USB接口不對(duì)外供電;當(dāng)攪拌停止時(shí)，USB接口對(duì)外供電。攪拌杯整體外觀特征。

2.2 自發(fā)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

德國(guó)物理學(xué)家塞貝克（Seebeck）于1821年首先發(fā)現(xiàn)，若用兩種金屬接成閉合回路，并使兩個(gè)接頭處的溫度不同，則在閉合回路中形成電流，這一現(xiàn)象叫做溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)?；芈分行纬呻娏鞅砻髟摶芈分写嬖陔妱?dòng)勢(shì)，這種由于溫差而出現(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)叫作溫差電動(dòng)勢(shì)。筆者把兩種不同金屬焊接成的閉合回路叫作溫差電池或熱電偶。

實(shí)驗(yàn)表明，溫差電動(dòng)勢(shì)的大小只和兩種金屬的性質(zhì)及接頭處的溫度有關(guān)。金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)是非常小的，例如，用銅和康銅構(gòu)成的熱電偶，當(dāng)兩個(gè)接頭處的溫度相差100℃時(shí)，回路中的溫差電動(dòng)勢(shì)只有4.3mV。當(dāng)熱電偶中形成電流時(shí)，放在高溫?zé)嵩刺幍臒犭娕冀宇^從高溫?zé)嵩次鼰?，而放在低溫?zé)嵩刺幍牧硪唤宇^則向低溫?zé)嵩捶艧?。熱電偶兩個(gè)接頭吸熱和放熱的差值即為轉(zhuǎn)化成電能的數(shù)量。

金屬熱電偶的發(fā)電效率極低，約為0.1%，即熱電偶從高溫?zé)嵩刺幬鼰? 000J，只有1J轉(zhuǎn)化為電能，999J熱量傳給低溫?zé)嵩础Ｒ虼?，金屬熱電偶不宜作為電源使用，其主要用途是作為溫度?jì)測(cè)量溫度。除金屬有溫差電效應(yīng)外，半導(dǎo)體也有溫差電效應(yīng)。用某些半導(dǎo)體制成的溫差電池有較大的溫差電動(dòng)勢(shì)和較高的發(fā)電效率（6%～8%），因此，半導(dǎo)體溫差電池在實(shí)際中可作為電源用[1]。

在本文所設(shè)計(jì)的磁力攪拌杯中，所用溫差發(fā)電片即為利用塞貝克效應(yīng)制成的半導(dǎo)體溫差電池，其作用是將攪拌杯中熱水的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能，從而驅(qū)動(dòng)攪拌杯攪拌飲品或?qū)κ謾C(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急充電。該溫差發(fā)電片采用弧形結(jié)構(gòu)，內(nèi)外極板涂抹硅脂保證與杯壁緊密貼合。溫差發(fā)電片之間采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)增大輸出電流及電壓，杯體內(nèi)置調(diào)壓整流電路，保證電能穩(wěn)定輸出。此種方式解決了攪拌杯需要外部電源供電的問(wèn)題。自發(fā)電機(jī)構(gòu)如圖2所示。

2.3 磁力攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)現(xiàn)售電動(dòng)攪拌杯由于攪拌葉無(wú)法取出，導(dǎo)致杯子無(wú)法徹底清洗，以及轉(zhuǎn)軸與杯體的連接處需要做密封處理，長(zhǎng)期使用容易損壞，導(dǎo)致杯子漏水的弊端，本文設(shè)計(jì)了一種供電裝置以及磁力攪拌系統(tǒng)都密封在杯子內(nèi)外膽之間的磁力攪拌杯，從而徹底解決了以上問(wèn)題。

磁力攪拌機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)如圖3所示。磁力攪拌系統(tǒng)主要包括超薄電機(jī)、驅(qū)動(dòng)磁體以及杯內(nèi)攪拌粒。超薄電機(jī)和驅(qū)動(dòng)磁體位于杯子內(nèi)外膽之間，攪拌粒位于杯子之中。具體實(shí)施方式為將超薄電機(jī)通過(guò)固定片固定于杯子內(nèi)膽，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)磁體固定于電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。超薄電機(jī)通過(guò)溫差發(fā)電片所產(chǎn)生的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)磁體旋轉(zhuǎn)，使置于杯子中的攪拌粒在驅(qū)動(dòng)磁體磁力的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)起來(lái)，以完成對(duì)杯內(nèi)物質(zhì)的攪拌，實(shí)現(xiàn)攪拌杯的功能。

在本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)磁體及攪拌粒的內(nèi)芯均采用銣鐵硼材料以增強(qiáng)磁性，并且兩者均采用“凹”形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩“凹”形結(jié)構(gòu)相對(duì)放置磁極相反，通過(guò)此種方式來(lái)構(gòu)成方形磁回路以進(jìn)一步增強(qiáng)磁性。攪拌粒結(jié)構(gòu)如圖4所示。本文所述攪拌粒采用食品級(jí)耐高溫蒸煮材料對(duì)磁性內(nèi)芯進(jìn)行包覆，包覆后為“山”形結(jié)構(gòu)，中間高兩邊低，旋轉(zhuǎn)時(shí)中間部分作為轉(zhuǎn)軸，以減小摩擦阻力。

2.4 應(yīng)急充電功能

此外，考慮到現(xiàn)在人們使用的手機(jī)耗電量大，在戶外攜帶充電寶不太方便，再加上若充電寶沒電，屆時(shí)手機(jī)將無(wú)法充電，導(dǎo)致通信受阻。為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的攪拌杯除具有市面上攪拌杯的基本功能外，還具有“一杯多用”的功能，即將攪拌杯作為應(yīng)急充電設(shè)備使用，為人們急需使用的電子設(shè)備充電。該應(yīng)急充電功能的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。前述溫差發(fā)電片所產(chǎn)生的電能可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)攪拌杯工作，只需在電路中設(shè)置分支電路并增加一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)和USB接口置于杯壁底部即可。通過(guò)開關(guān)來(lái)切換電路的供電方式，從而切換攪拌和充電模式。在找不到充電場(chǎng)所時(shí)，只需要將攪拌杯中接滿開水并切換到充電模式就可以對(duì)手機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行應(yīng)急充電。

3 結(jié)論

本文通過(guò)攪拌杯的整體結(jié)構(gòu)、自發(fā)電機(jī)構(gòu)、磁力攪拌機(jī)構(gòu)、攪拌粒及應(yīng)急充電功能的設(shè)計(jì)，為人們提供了一種多功能磁力攪拌杯的設(shè)計(jì)方案。此攪拌杯最大的特點(diǎn)是：內(nèi)膽無(wú)需開孔，最大程度上保證了攪拌杯的整體性，便于清洗;無(wú)需外接電源或使用電池供電，利用溫差發(fā)電片將熱水的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能，從而驅(qū)動(dòng)攪拌的進(jìn)行，低碳環(huán)保，無(wú)需后期維護(hù);通過(guò)功能轉(zhuǎn)換開關(guān)還可以將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電能通過(guò)杯體上的接口向外輸出，從而給手機(jī)等電子設(shè)備提供電能，可作為應(yīng)急充電的“充電寶”。本文設(shè)計(jì)的攪拌杯新穎、美觀、大方，預(yù)計(jì)將會(huì)受到人們的歡迎。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈瑞皋，薛慶忠.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.