多功能冷热一体杯的设计

金坤坤，惠 妍，葛 珊，柯雪儿

（安徽三联学院，安徽 合肥 230601）

万物都离不开水，而盛水的容器从古至今琳琅满目、各种各样。这些水杯大多停留在盛水的容器层面，并没有突破传统缺陷，给用户带来更多的方便和安全。本文所研究的智能杯一开始在欧洲、美国等一些发达国家使用得比较广泛，样式多种多样。例如一款适合在野外使用的杯子—通过3层过滤器使原本浑浊的水直接净化成饮用水。还有一款SUWU工作室发明的药罐瓶，其瓶盖与市面上大部分的瓶子匹配，可以充当药盒，按时提醒病人吃药。科学家Ozmo发明了一款可提醒喝水的杯子，用户只需将杯子与手机里的软件相连，就可以检测自身的饮水量，还可以追踪用户咖啡的摄入量，防止饮用过量的咖啡因。虽然国外的科技水平较高，但是由于产品本身的价格及其他因素限制了其发展[2]。

1 多功能杯的设计理念与使用方法

1.1 设计理念

国内目前出现的智能杯[1]主要依靠最原始的比热容储热来完成。杯壁含有的醋酸钠水溶液，在外力的作用下使醋酸分子发生碰撞，导致其内的分子发生相变，在醋酸钠由水溶液相变过程中利用吸热散热来改变杯子内部水的温度。但其体积庞大，且里面含有大量的内液，长时间使用不仅麻烦，还会带来健康问题。

文章在传统杯子以及现代新进技术的基础上，设计一款多功能杯，在对水保温的基础上，通过智能调节，只需在外屏输入所需要的温度，其内置的集成芯片便会控制温感薄膜进行冷热水的调节。这款杯子在传统保温杯的基础上加了一道工序—内胆镀铜，大量实验数据表示其保温效果比之前的保温效果提高20%。

1.2 多功能杯使用方法

本项目核心是在传统的杯子中间加一层健康无危害的高分子温感高分子隔膜，在杯子底部加上集成芯片，在杯子外壁内嵌显示屏。杯子自带保温系统，温感隔膜在集成芯片的控制下通过热水进冷水进行调节，达到所需要的水温。本项目实物轻便、操作简单，适合多个年龄层的用户，通过集成芯片和温感隔膜来调节已有的冷热水，使用者只需将需要的温度输入在外壁的内嵌显示器，就可以通过内部的软件和集成芯片来调动温感隔膜进出冷热水来满足需求[3]。

2 多功能杯设计原理

设计原理框架如图1所示。

图1 设计原理框架

2.1 深层过滤

深层过滤采用的净水方法是紫外线消毒，借助活性炭吸附作用，在杯盖内顶部安装上了紫外线杀菌灯，即一种利用紫外线杀菌作用进行灭菌消毒的灯具。紫外线消毒是其他技术没有办法比拟的，杀菌效率可达99%～99.9%，主要作用于微生物的DNA，破坏DNA的结构，使其失去繁殖能力，达到消毒灭菌的目的。该波段紫外线的杀菌能力最强（规格为15 W），平均寿命为8 000 h。

2.2 “不倒翁”设计

平时在喝水的时候都会遇到一不小心把水撒了出去的情况，不仅会使物品受到损毁，人身安全还会受到危害。多功能杯底部加有合适的配重，当受到力的撞击时，会立即把杯盖合上，杯底类似于“不倒翁”的底座，所以不会造成损失，巧妙地利用锂电池的重量，把杯子设计得更加安全。

2.3 调节水温

杯子中间加一层健康无危害的高分子温感隔膜，隔膜由羟基磷灰石纳米构成，有足够的化学和电化学稳定性，足够的机械强度，非常薄，表面多孔有序，保证水分子的正常通过，该膜可实现在150 °的高温下安全工作，在杯子底部加上集成芯片，在杯子外壁内嵌显示屏，事先把开水和冷水加入隔膜中，杯子可以带保温系统，系统电能由环保的锂电池提供。

2.4 缺水定时提醒

当人体缺水的时候就会出现一些问题，比如皮肤干燥、头发干枯等。多功能水杯可以用蓝牙链接手机，如果人体缺水了会自动发送信息给手机，具体到需要喝多少升的水，水杯也会自动调整到适宜饮用的水温。每天摄入标准水分，会使身体长时间地保持健康状态[4]。

2.5 健康环保

保温杯采用铜胆，铜的密度较高，相对于铝铁而言，分解量更少，比铁铝更稳定。用铜内壁在一定温度下可以析出微量铜元素，补充铜微量元素，这些元素是其他地方得不到的。铜具有杀菌作用，是合成血红蛋白的催化剂，对身体有益，发达国家基本上用铜作为自来水管线。

2.6 一键启动

杯子外壁内嵌显示屏，需要多少度的水只需在外屏输入相应的数字，温感隔膜在集成芯片的控制下通过热水进冷水进行调节，达到所需要的水温，使大众可以短时间内喝到适温水[4]。整体结构如图2所示。

图2 多功能冷热一体杯构造

3 结语

多功能冷热一体杯的设计涉及了多个学科范畴，包括电子、自动控制等，是一个综合性应用研究课题。本设计以饮用水健康为目的，设计功能多样的智能杯，智能化的设计可以极大地方便人类的生活。产品系统协调稳定、安全可靠，具有较强的实用性，具有产品化意义。