自發電采暖鞋的設計

李 立

( 大連工業大學 藝術設計學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

由于防寒的需求,當前市場上出現了小靈貓、熱力士、愛心暖腳王等幾種采暖鞋,也稱為發熱鞋。從國內外的市場和專利看,發熱鞋的設計可以大致分為四類。第一類是電熱鞋,即采用外接電源或內置電池,將電能轉變為熱能進行取暖。第二類是化學能發熱鞋,即在鞋內設置發熱袋,利用物質緩慢地燃燒(氧化過程)釋放的熱量來取暖。第三類是物理作用式發熱鞋[1-2],將人體行走的機械能直接轉變為熱能。第四類是自發電式發熱鞋,即將人體行走的機械能轉變為電能,再轉換為熱能。這四類發熱鞋各有特點,但也都存在一些不足，要么經常充電或更換發熱袋而帶來使用的不便，要么結構復雜、成本較高、影響鞋使用壽命的因素增多等。因此客觀上需要一種更合理的發熱鞋設計。本設計采用電磁感應的方法,將行走的機械能直接轉換為電能,進而轉換為熱能,設計出具有簡單結構的自發電電熱鞋。

1 設計依據及要求

任何設計都應該是市場、消費者、環境及社會發展的統一,從這一角度出發,發熱鞋的設計,不能只以發熱為設計目的,在滿足發熱要求的同時,應考慮以下問題:

(1)從人體工程學的角度,新設計的鞋應穿著舒適,鞋底柔軟而有彈性,行走應該省力,鞋內溫度不因過高或過低而感到不適,即溫度應可調,溫度在鞋內的分布應該均勻。

(2)使用應該方便,應有廣泛的適應性。

(3)要考慮使用的安全性,應該無毒、無污染。

(4)發熱裝置應該盡量簡化,加工簡單、成本低廉,減少影響使用壽命的因素,還要提高能量的轉化效率。

(5)應滿足低碳經濟的要求。

2 設計的技術分析

2.1 行走時的人體工程學分析

人在行走時,兩腿交替邁步,向前邁動的腳跟著地后,在后腳掌蹬地的推動力作用下,身體一邊前移,一邊因前腿由傾斜到直立而使身體向上運動,起伏的幅度約4.4 cm[3],同時前腳逐漸增大對地面的接觸,并過渡到腳掌著地而腳跟抬起,又使另一條腿前移,兩腿這樣反復交替使身體前行。在這個過程中,腳底的壓力有兩個峰值,一個是腳跟著地時的壓力,另一個是腳掌蹬地時的壓力。使身體向上并向前移動的力來自后腳掌蹬地的力,這是由人的體力完成的。而前腳跟著地的力,是人體向上運動時蓄積的位能在下落時借助地心的引力轉化為動能,對地面形成沖擊力。這部分能量最后轉化為熱量被地面吸收并散失掉。回收這部分能量,不會格外消耗人體的能量。如果在腳跟部分設有彈性體,可以吸收腳跟的沖擊力,不僅可以減輕沖擊造成的大腦震動,有利于健康,而且由于彈性變形時蓄積了一部分人體下行的動能,在腳跟抬起時彈性體的回彈能量,可以減少腳跟抬起所需要的能量,從而減少前腳掌蹬地消耗的能量,有利于節省體力。對于鞋的前掌部分,為了有效發揮腳掌蹬地的作用,不應有過大的變形性,為了保持一定的柔軟性,前掌可以有一定的彈性,但不能有塑性變形,以防消耗體力。

2.2 發熱方法的選擇

影響上述設計原則的關鍵因素,是能否選擇一個合理的發熱方法。從使用方便和適應性廣考慮,普通的電熱鞋和化學能發熱鞋因受電源限制或經常充電及更換發熱袋等原因,都不能作為首選。至于物理作用式發熱鞋,當前已有的設計,也存在一定的問題。

因此,自發電式電熱鞋可以考慮成為首選。這種電熱鞋不需要另置電源,有廣泛的實用性和使用的方便性；可以實現安全、無毒、無污染,也符合低碳經濟的要求。本設計選用了線圈-永磁鐵芯電磁感應系統來發電,這種方法不需要傳動機構,腳跟的壓力直接推動永磁鐵芯在線圈中往復運動而發電,從而可以有效克服微型發電機發電方式的缺點。

2.3 對線圈-永磁鐵芯電磁感應型發電系統可行性的分析

經上述分析選擇的電磁感應型發電系統是否能滿足發熱鞋的要求,必須作進一步的論證。圖1是磁圈-磁鐵電磁感應系統的工作原理示意圖。

圖1 線圈-磁鐵電磁感應

圖1中N、S分別是永磁鐵的北極和南極,當磁鐵向下運動接近線圈A時,由線圈上的導線所圍成的面積內,其磁通量將發生變化,根據法拉第定律,線圈導線內將產生感應電流。又根據楞次定律,感應電流的方向是使由該電流所產生的磁場去抵消磁鐵移近所造成的磁通量增加。圖1中帶箭頭的實線是永磁鐵產生的磁力線,帶箭頭的虛線是感應電流產生的磁力線,二者的方向相反。產生的電流可由電流表G的指針偏移得到證實。

線圈中感應電流I的大小取決于線圈中感應電動勢E及線圈的電阻R,即:

I=E/R

線圈的電阻是已知的,感應電動勢E可用下式求得:

E=NΔφ/Δt

式中,N為線圈的匝數;Δφ為磁通量的變化量;Δt為與磁通量變化所對應的時間。

已知釹鐵硼N35永磁鐵的磁通量0.4～0.7 Wb/m2,普通人在正常行走時,其步頻是0.8～1.2步/s。因此要達到一定的電動勢和電流的要求,可以改變線圈的面積和線圈的匝數來滿足,其中線圈的面積受鞋跟部面積的限制,調整的幅度有限,而線圈可以多層纏繞,取值范圍是較廣的。因此要獲得必要的電能參數,電磁感應系統本身是沒有問題的,問題是人行走時腳跟的推動力,能否產生足夠的能量滿足鞋內的取暖。

一個普通的成年人,體重多為50～70 kg,可取其低值,即取體重50 kg。行走的特點是兩腳不會同時離地,那么在前腳跟著地時,后腳的腳尖尚未離地,體重是由兩腳共同負擔的,即腳跟的下壓重力為25 kg,約250 N。由上述可知,人體行走時上下起伏的幅度為4.4 cm,考慮復位彈簧必須蓄積復位所需的能量,加上電磁感應的阻尼效應,假定這個起伏量有30%行程能有效用于推動永磁鐵芯向下運動而做功,即移動量1.32 cm,則地球重力做功為0.013 2 m×250 N=3.3 J。在腳跟抬起時,復位彈簧的蓄積能量也將做同樣大小的功,即行走一步可做功3.3 J×2=6.6 J。為了計算方便,取步頻為1步/s,則行走時一只腳的腳跟可發出的功率約為6.6 W,由于系統沒有機械損失,只有線圈本身有一點熱損失,按能量轉化率90%計,有效功率約為6 W,與當前的市售的小靈貓發熱鞋(內置電源式)配制的電源總功率(6 W 和4.5 W兩種)相當或更高,因此人行走自身能量的回收,完全可以滿足發熱鞋使用。

3 設計結果及說明

圖2是本設計的具體設計方案。除了鞋體以外,整個發熱系統由發電機構、操縱和溫控機構、發熱體及電路系統組成。

1 電磁室底板; 2 彈簧鋼片; 3 鞋底革層; 4 發熱體; 5 鞋內襯; 6 上十字底板; 7 下十字底板; 8 永磁鐵芯; 9 線圈; 10 電源插座; 11 鋰電池; 12 導線通孔; 13 套筒; 14 自發電電源接頭; 15 二極管整流電路; 16 溫控開關; 17 手動開關; 18 電路板; 19 復位彈簧

圖2 自發電采暖鞋設計方案示意圖

Fig.2 Sketch schematic design of self-generated electricity heating shoes

發電機構的主體由固定在鞋跟電磁室中下十字底板7上的線圈9和固定在上十字底板6上的永磁鐵芯8組成,在上下十字底板間支撐著裝在套筒13中的復位彈簧19,這樣可以保證隨著行走時腳跟的起落,永磁鐵芯在線圈中做上下往復運動而產生感應電流。電流經電路板18(電路圖見圖2左)的二極管整流電路15變為直流電,通向布置在鞋底表面和鞋幫中的碳纖維制成的發熱體4。

操作和溫控機構由溫控開關16和手動開關17組成。當鞋內溫度超過30 ℃時,雙金屬片構成的溫控開關由左向右,停止向發熱體供電,接通鋰電池充電線路,將多余的電量儲存于鋰電池中,以保持鞋內溫度適中。溫度低于30 ℃后,溫控開關復位,恢復向發熱體供電。在停止行走或坐位工作時,自發電機構停止工作,可用手控開關17接通鋰電池供電線路,像發熱體供電。也可以經外接電源插座10接通外電源向鋰電池充電,或向發熱體供電。

發熱體可以采用碳纖維混抄的電熱紙、碳纖維制造的無紡布,或由電阻絲編織而成。

4 結 語

(1)選擇線圈-永磁鐵芯發電機構,不用另置電源,且結構較簡單,沒有機械傳動裝置。不僅解決了方便性和廣泛實用性,保證安全、無毒、無污染,滿足低碳經濟的要求,而且能量轉化的效率高,幾乎沒有易損件,有利于提高使用壽命,降低成本。

(2)從人體工程學的角度出發,合理利用腳跟下壓的能量,并采用彈性元件蓄積部分下壓能量,回彈時可推動腳跟抬起,減少行走的體力消耗；彈簧鋼片2的前端置于腳趾和腳掌關節的后方,以保證不影響腳掌蹬地時鞋底應有的柔軟性；溫控機構保證了鞋內溫度適中。發熱體不僅分布于鞋底,也部分分布于鞋幫,保證鞋內溫度分布均勻。

(3)在方便性和實用性方面,設置手動開關控制鋰電池供電線路,利用鞋內超溫時蓄積的能量供不行走時取暖,甚至備有外接電源以應對特殊情況,比如坐位工作或行動不便人員,大大擴大了方便性和實用性。

[1] 許長根. 自發熱取暖鞋:中國, CN90212024.7[P]. 1990-08-29.

[2] 張正鳳. 一種自動發熱鞋:中國, CN97108189.1[P]. 1999-02-10.

[3] 吳劍,李建設. 人體行走時步態的生物力學研究進展[J]. 中國運動醫學雜志, 2002, 21(3):305-307.