一款可冷熱變換的模塊化多功能墊的研制與應(yīng)用

鐘子健　陳銳　王苗亦

摘 要：利用熱電元件，研制了一款具有溫度可調(diào)節(jié)以及模塊化可拼接的多功能墊。在研制過程中，結(jié)合熱場模擬仿真分析，從隔熱、導(dǎo)熱、散熱等方面進(jìn)行材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了控溫功能;結(jié)合實(shí)際使用情景，對模塊間的機(jī)械和電路連接進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了模塊化拼接功能。運(yùn)用3D打印技術(shù)完成了該坐墊的整體設(shè)計和樣品制作，并測量了溫度隨工作電流電壓以及時間的變化關(guān)系，結(jié)果表明該坐墊具備良好的使用特性。

關(guān)鍵詞：熱電轉(zhuǎn)換;多功能坐墊;模塊化;強(qiáng)制對流;溫度分布

中圖分類號：TS959文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0056-03

Abstract： With the thermoelectric original，we developed a multifunction mat whose temperature can be adjusted and models can be jointed. In the development process， we chose the proper material and design the proper structure，and then reached the function of controlling the temperature. According to the use situation， we designed the mechanical and electrical coupler， and then realized the modularized joint. We used 3D printing technology to complete the overall design and sample production of the cushion， and measured the temperature change with the working current， voltage and time. The results show that the cushion has good use characteristics.

Keywords： the transition between heat and electricity;multifunctional cushion ;modularized;forced convection;temperature division

當(dāng)前，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，對生活用具的舒適度與實(shí)用性也不斷提升。作為控溫電器，空調(diào)已較為普及，但亦存在體積較大、不易攜帶、耗電量大等缺點(diǎn)。由此，本文設(shè)計了一款既可主動調(diào)節(jié)溫度、能耗低，又易攜帶、具有多種功能的墊子。

1 總體研究思路

熱電材料能實(shí)現(xiàn)電能和熱能之間相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)電流流過由兩種不同金屬材料形成的閉合回路時，兩種不同金屬間的接觸點(diǎn)會產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，且改變電流方向時，吸熱和放熱的接觸點(diǎn)位置會發(fā)生變換。據(jù)此可制成熱電器件。相對于傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，半導(dǎo)體熱電器件是在固體材料中傳導(dǎo)電子，沒有機(jī)械運(yùn)動部分，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、無噪聲、壽命長、維護(hù)費(fèi)用低等明顯優(yōu)勢[1-2]，可以方便地實(shí)現(xiàn)制冷制熱轉(zhuǎn)換，非常適用于所設(shè)想墊子的功能和使用環(huán)境。

2 產(chǎn)品設(shè)計

2.1 熱電材料選取

通過查閱文獻(xiàn)，選取室溫附近性能最佳的熱電轉(zhuǎn)換材料，即碲化鉍基合金。碲化鉍基熱電材料被研究的最早，應(yīng)用也最為成熟，是目前室溫范圍內(nèi)應(yīng)用最多的熱電材料[3]。

2.2 熱電元件安放設(shè)計

由于墊子本身只有300 mm×300 mm大小，暫定使用4塊熱電元件，規(guī)格為30 mm×30 mm。綜合考慮熱量的分布與傳遞，設(shè)計出如下兩種方案。方案一：4塊熱電元件分布于半徑為[1/4L]的兩兩相切的圓心，分別位于中心和各頂點(diǎn)連線的中點(diǎn)處;方案二：4塊熱電元件分布在九宮格的直線相交處。采用多物理場耦合模擬軟件Comsol對兩種設(shè)計進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，方案一的溫度分布更均勻，更符合要求。

2.3 隔熱材料選取

熱電器件在工作時，自身也會放出大量熱量，若沒有良好的隔熱，將會在運(yùn)行過程中發(fā)生冷熱混合，從而無法高效制冷（制熱）。

經(jīng)了解，導(dǎo)熱系數(shù)不高于0.15 W/（m·K）的材料可以用于隔熱。珍珠棉材料輕薄，柔軟性好，但抗拉性差。石棉、亞麻布、皮棉、納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈易得，初步在考慮范圍之內(nèi)。經(jīng)過綜合比較，納米氣凝膠復(fù)合絕熱氈的導(dǎo)熱系數(shù)更低[0.04 W/（m·K）]、隔熱系數(shù)更好，所以最終選其作為隔熱材料。

2.4 導(dǎo)熱、散熱材料的選取和布置

由于熱電器件的位置處于墊子中部，為了實(shí)現(xiàn)快速有效的溫度調(diào)節(jié)，必須要設(shè)置一系列能夠快速導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)。查閱資料得知，熱管具有極高的熱傳導(dǎo)率，廣泛運(yùn)用于能源、化工、航空航天、電子元件散熱等領(lǐng)域[4]。因此，選擇熱管和散熱翅作為導(dǎo)熱方式，并實(shí)現(xiàn)制冷工況下熱端的強(qiáng)制散熱。

為實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布，設(shè)計如下方案：各個熱電元件周圍安放向外延伸至熱翅處的熱管，隔熱材料上部的熱翅負(fù)責(zé)改變進(jìn)入氣體的溫度，下部的熱翅負(fù)責(zé)散熱。這不僅能使溫度分布更加均勻，也能起到良好的冷熱分離效果，有利于墊子長時間持續(xù)使用。而在該導(dǎo)熱方式中，不必使用4塊熱電元件即可達(dá)到使溫度大致均勻分布的效果，而2塊熱電元件也足以提供適度的溫差，因此，將熱電元件的數(shù)量調(diào)整到2塊，并設(shè)計了如下導(dǎo)熱方案。

在隔熱材料下部采取用熱管將冷（熱）量傳導(dǎo)至4組鋁制散熱翅處，并以鋁制散熱器作為空氣的進(jìn)氣管道。外界空氣通過進(jìn)氣管道降溫后，再用風(fēng)扇吹出。而單一的4個出風(fēng)口顯然不能使溫度盡可能均勻地分布，于是作者設(shè)計了一個位于墊子中部的、帶有支撐腳和透氣孔的中空層（見圖1），使空氣能在其中均勻自由地向四周擴(kuò)散，再向上吹出，從而實(shí)現(xiàn)均勻?qū)Ю洌幔?。在寧波材料所的幫助下，使?D打印技術(shù)，制作了結(jié)構(gòu)符合要求的中空層。

2.5 模塊化連接

機(jī)械連接使用拉鏈，墊子需要水平旋轉(zhuǎn)90°使得拉鏈上下鉚合?？紤]到墊子在模塊化拼接時必須有一定的機(jī)械可靠性，不易改變整體形狀，同時拉鏈不容易與人體接觸，作者決定將拉鏈設(shè)置在墊子底部。

電路結(jié)構(gòu)設(shè)計成中心對稱結(jié)構(gòu)，并在兩個相對的角設(shè)置USB接口，以便根據(jù)具體使用情況隨時連接其他模塊，也可起到連接控制元件的作用。

3 成品實(shí)測效果

安裝熱電元件、熱管和散熱翅，完成了實(shí)物制作。之后，對其實(shí)際使用效果進(jìn)行實(shí)測，對成品工作功率和實(shí)際使用情況進(jìn)行評估。由于產(chǎn)品本身工作時必定會產(chǎn)生焦耳熱，且產(chǎn)品主要應(yīng)用場景在夏天，因而，在實(shí)驗中，作者以難度較大的制冷為例。

3.1 實(shí)驗一：不同工作電壓下的功率

由于實(shí)驗在冬天進(jìn)行，因此，用制熱設(shè)備模擬夏天30℃高溫的工作環(huán)境，用多用電表測定其電壓、電流，通過計算得到各組功率數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，與常用的電熱毯（功率一般為80～120 W）、空調(diào)等相比，該成品的功率非常低，能使用移動電源長時間供電（按6 V工作電壓，一般移動電源20 000 mAh計算，大約可以使用11 h），方便攜帶和使用。

3.2 實(shí)驗二：一定工作電壓下坐墊上下層溫度隨時間變化情況

為觀察產(chǎn)品在長時間運(yùn)行時能否有效散熱，保證熱電元件正常工作，作者測定了6 V工作電壓上層溫度與底部散熱溫度隨時間變化的關(guān)系（實(shí)驗所測為風(fēng)扇吹出的空氣溫度），得出的實(shí)驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2可以看出，在接近30 ℃的環(huán)境中，該成品開始時溫度變化較快，到后期溫度趨于穩(wěn)定。散熱翅的溫度變化并不明顯且逐漸趨于平緩，足以支持熱電元件長時間工作。

由此可初步得出實(shí)驗結(jié)論：在可控范圍內(nèi)，該成品能長時間穩(wěn)定工作。

3.3 實(shí)驗三：不同工作電壓下的穩(wěn)定溫度情況及所需時間

為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的溫度控制，必須要了解各工作電流下產(chǎn)品能達(dá)到的穩(wěn)定溫度及所需時間，因此，設(shè)計了測定幾種工作電壓下產(chǎn)品所能達(dá)到的穩(wěn)定溫度及所需時間，結(jié)果如圖3所示。

通過上述三個實(shí)驗可得出，在三組測試中，溫度均能快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，12 V和9 V的工作電壓下，穩(wěn)定溫度與30 ℃環(huán)境溫度有4～6 ℃的溫差，而6 V達(dá)到的穩(wěn)定溫度最為理想，能與環(huán)境溫度產(chǎn)生8～10 ℃的溫差。這主要是因為6 V情況下電流較小，整個裝置發(fā)熱量較小，熱面產(chǎn)生的熱量能被快速導(dǎo)走，最大程度避免冷熱混合，保證熱電元件的高效工作。此外，通過查閱資料得知，熱電元件兩面溫差并不完全和電流大小成正相關(guān)，超過一定閾值后，隨著電流繼續(xù)增加，溫差逐漸減小，直至溫差反轉(zhuǎn)，即冷端的溫度高于熱端溫度[5-6]，這也很好地解釋了測得的實(shí)驗結(jié)果。從現(xiàn)階段的成果中可以發(fā)現(xiàn)，在6 V的工作電壓下，該成品能完成約10 ℃的溫差控制;而且，6 V電壓也能在移動電源電量有限的情況下更長時間地續(xù)航工作。

由此可初步得出結(jié)論：該成品控溫范圍適當(dāng)，降溫時間短，相比空調(diào)等設(shè)備，還具有攜帶方便，可用移動電源供電的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和優(yōu)越性。

4 總結(jié)與展望

4.1 產(chǎn)品亮點(diǎn)及創(chuàng)新性

①在本次研究中，作者基于碲化鉍基合金熱電材料，綜合利用熱場可視化模擬分析、三維建模、3D打印技術(shù)等，從導(dǎo)熱、隔熱、散熱三方面的材料和結(jié)構(gòu)著手，設(shè)計并制作了一款可冷熱變換的模塊化多功能墊，為滿足個性化需求提供了全新的選擇。

②與傳統(tǒng)坐墊相比，該坐墊實(shí)現(xiàn)了主動溫度控制和模塊化兩大功能。不但能冷熱雙向控溫，還能為使用者提供長時間的良好體驗，通過拼接改變面積，還可以作為床墊、地席，實(shí)現(xiàn)多人共享，大面積持續(xù)制冷、制熱。

③與使用壓縮機(jī)的空調(diào)等傳統(tǒng)控溫設(shè)備相比，該坐墊能實(shí)現(xiàn)電能和熱能的直接轉(zhuǎn)換，具有能耗小、無噪聲、制冷制熱快的特點(diǎn)，可用移動電源供電，只需要一個充電寶，就能針對不同季節(jié)進(jìn)行個性化溫度調(diào)節(jié)。

4.2 產(chǎn)品改進(jìn)及展望

未來若繼續(xù)改進(jìn)，將著重解決以下幾個問題：厚度、柔性、溫控調(diào)節(jié)和成本。

①厚度和柔性問題。在這兩點(diǎn)上，主要從導(dǎo)熱散熱角度考慮，嘗試用更輕薄柔軟的管道代替現(xiàn)有的導(dǎo)氣中空層，在保證散熱的前提下調(diào)整散熱方式;或者調(diào)整整體布局，優(yōu)化墊子空間運(yùn)用。

②溫控問題?？刂圃梢杂娠@示屏、充電電池和按鍵組成。

③成本問題?？梢詮倪x材、結(jié)構(gòu)、制作工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，更大程度上發(fā)揮模塊化多用途所帶來的成本優(yōu)勢。

總之，我們非常期待能進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品，提升其性能，從而改善人們的使用體驗，甚至使其得到商業(yè)化的機(jī)會，填補(bǔ)市場空缺，引領(lǐng)消費(fèi)潮流。

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