便携式加热制冷杯设计

（东南大学成贤学院，江苏 南京 210088）

1 研究加热制冷杯背景

在日常生活中，人们往往会遇到这种情况，夏天一热就想立马来点冰镇可乐，冬天一冷，就想来点热饮暖暖身子。本团队致力于研究可以两全的办法，即以现有的加热杯垫为原型，在制热的基础上增加了制冷的功能，且加快了加热速度，使其更加便利。

2 加热制冷杯的技术组成

本团队将半导体制冷与加热的控制技术与单片机原理的集合，作为产品的技术核心，来设计整个杯体。

2.1 半导体原理介绍

加热制冷杯总线路如图1所示，电路图包含了整个加热制冷杯三大功能：加热功能、制冷功能和散热功能。该电路图包括防短路系统[1]。

2.2 制冷工作流程

接上插头后，按一下按键，灯为绿色则表明为制冷状态。直接按下杯底的按键，杯子内置的温度以及压强传感器检测压力后，开始工作。杯子利用单片机控制半导体冷热片，进行制冷的半导体贴近杯体一侧开始制冷，并带动排风风扇转动使外壳和内杯之间的风道产生气流，而杯底与金属片完全接触后，达到一定的制冷温度，从而由单片机控制电路断电从而达到制冷的目的[1]。

2.3 加热工作流程

接通电源后，长按按键直到灯变为红色，则表明为加热状态，根据半导体制冷片的工作特性，如果开始换动电极，那么在原有制冷基础上会开始进行加热，同样按下杯底的右按键。温度以及压强感应器起初检测水温和压力后，单片机开始控制加热，从而达到稳定的温度[2]。

以下为冷热转换工作部分原理如图2所示。杯子通过开关来致冷或致热。K2为双刀双掷拨动开关，K2打到1时为致热状态，致冷块电压上负下正。当K2打到2时，致冷块电压变为上正下负，为致冷状态。致冷时，绿色指示灯LED1亮;致热时，红色指示灯LED2亮[3]。

图1 加热制冷杯总线路

图2 冷热转化原理

3 加热制冷杯的结构组成以及结构设计

组成：整个加热制冷杯主要有外壳、底座（见图3—4）、固定导热杯、电源插头、杯底。而杯底包含各种元器件（半导体制冷片、单片机、传感器等）。在整个结构中，外壳主要起支持和保护作用，外壳的侧面具有两个散热口。底座也设计了高达3 cm的悬置高度，用于散热。

结构设计：在设计整体加热制冷的杯体时，以质量小、体积小的目的出发，以最基础的底座为起点，团队经过多次修改，最终以8 cm×8 cm×8 cm为最终长宽高，其余的结构为了尽量减少加工的目的而设计。以下是关于结构外形的三维建模。

图3 外形侧视体

图4 底座

在设计该三维建模过程中，关于整体杯壁的厚度问题，本团队尝试了多个数据，考虑到产品最后成形的价格问题，最终选择了4 cm。在设计杯底的时候，团队考虑到产品工作时的散热问题，在整个杯体两侧面以及底面分别设有一定的通槽。

在设计底座时，团队考虑到产品放在桌面的摩擦力，为了尽量使得杯子不易滑动，在底面设计了小凹槽，可加上防滑的垫片。

在设计盖子时，团队考虑到杯子的美观性，采用了过盈链接，使之嵌入在杯体中，且在杯盖的槽中加入一圈的垫片，使之密闭性更好。

4 加热制冷杯内置装配图

虽然有了半导体片、散热风扇（见图5—6）外壳等，但是杯子的装配过程是一项技术活。下列为内置装配步骤。

图5 散热风扇

图6 半导体片

（1）先将散热风扇嵌入提前设计好的凹槽中，并与之相连的核心组件制冷半导体片及其相连的电路放在散热风扇的上方。

（2）放置好散热装置与核心加热装置后，其上的电线有序放进卡线槽里，避免线路短路以及受热软化。

（3）安放导热铝杯。

（4）安装盖子。在安装实物时，团队考虑到安装时的气密性问题，在盖子内侧安装了橡胶圈，通过调整橡胶圈的厚度，可控制其松紧程度。

5 加热制冷杯的性能

5.1 便携

从购买元器件到设计图纸，团队始终保持着一个理念：便携。这也是设计的最初目的。人们无论居家还是出差，加热制冷杯像充电宝一样便携，团队进行了多次数据的对比，认为8 cm×8 cm×8 cm参数的长方体是最优设计。

5.2 高效

百公里加速或者百公里油耗是汽车的评测标准。加热制冷杯也有自己独一无二的评测标准，即加热制冷速度（从某一个温度加热或制冷到某个温度的时间快慢）。加热制冷速度是本研究团队主攻的第二大方向，在进行加热或制冷速率实验中，表面板常温25 ℃加热到80 ℃耗时215 s并且可保温。在55 s内，表面板温度从常温立即冷却到0 ℃。测得温降率为0.455 25 ℃/s。这两个数据表明本产品的制冷和加热性能。

5.3 节能

产品是否耗电的问题显得尤为重要，考虑到机器的功率大小问题，团队在不断采集数据，争取将能耗、噪音降到最低。最后，确定杯子通电接口为3 A、总功率为36 W时能耗最低，而且3 A附带12 V电压的充电端口，比较普适、节能且减排。

6 结语

在进行设计的同时，团队尝试加入一些新功能比如加热制冷的温度显示、加热、制冷、保温显示灯、电路的合理设计、线路优化和外观的美观性等，团队也会在后期进一步优化设计，给人们带来便利。