一種適于野外作業用多功能太陽能保溫水杯設計

陳夢琳，董春芳，李 鑫，趙 歡，裴笑閱

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

水杯是人們日常生活中不可缺少的物品，尤其對于從事林區作業和森林資源調查等工作的人員來說，由于工作環境比較艱苦，野外工作量大，甚至需要在氣溫較低情況下進行長時間工作，因此一款方便實用的保溫水杯是進行外業工作時選擇攜帶的首要物品。隨著科技的發展和人們對生活品質要求的不斷提升，水杯的造型和功能越來越多樣化，如面向大眾的各類普通水杯和保溫水杯，面向養生需求人群的各類功能性水杯，面向走在潮流前端年輕人的各種智能水杯等等［1-3］。但這些功能對于進行野外作業的林業工作者而言意義不大，而普通保溫水杯保溫時長有限，因此設計一款簡單實用的多功能保溫水杯不僅能夠滿足進行外業的各類工作人員需要，也適合長時間戶外活動的人群使用，會具有廣闊的市場前景。

1 多功能保溫水杯需求分析

目前市場上的保溫水杯種類樣式繁多，就其功能來說只有單一的保溫功能，在室溫條件下保溫時長平均為3～5 h。對于經常在野外作業的人而言，除了對熱水的需求外，有時還有辨別方向、照明、手機等電子設備應急充電等需求，雖然這些需求有相應的物品來滿足，但有些物品體積較小容易丟失，如果將它們集成在一起則更方便攜帶。對于這種集多種功能于一體的保溫水杯設計還應以使用人群的需求分析為基礎，而質量功能展開(QFD)作為一種基于需求分析的產品逆向開發方法可以有效實現由需求到產品功能要素的轉換［4］。由于東北林業大學一些科研試驗、調查取樣等經常需要在林區進行，因此本文以東北林業大學師生為調查對象，根據需求調查結果再通過QFD方法確定保溫水杯的功能要求并以此確定結構方案，調查統計結果見表1。

表1 問卷調查統計結果Tab.1 The result of questionnaire

由表1可以看出，進行外業的人員更希望水杯功能有所增加。根據對調查問卷中各種功能需求進行整理歸納，得到展開的功能需求與功能要素展開表，見表2。

表2 功能需求與功能要素展開表Tab.2 Deployment of function requirements and elements

將功能需求間的關聯度從極強到極弱賦值1～9，采用層次分析法(AHP)對功能需求重要度進行評定［4］。對每一項功能需求與功能要素間相關關系進行打分，用◎、○、△分別代表強相關、相關和弱相關，得到功能需求與功能要素相關矩陣表，見表3。

表3 功能需求與功能要素相關矩陣表Tab.3 Correlation matrix of function requirements and elements

表3中所列出的各功能要素重要度排序作為多功能保溫水杯設計的依據。在野外活動或作業時，由于保溫水杯都放在背包外置網袋中，不適合手持照明，而且在重要度排序中照明裝置重要度最低，因此在設計時暫不考慮該功能。

2 總體方案

根據表3給出的功能要素重要度，本著便攜實用的目的，將加熱、蓄電、驅蚊、太陽能利用等功能結合設計一種多功能保溫水杯，水杯整體上由杯蓋、保溫外殼、內膽、杯底、杯把、太陽能板、加熱裝置、溫控開關、鋰電池和指南針等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 水杯整體結構Fig.1 The structure of solar thermos flask

當水溫低于25℃時，溫控開關將太陽能電池板與加熱裝置接通，太陽能電池板即開始工作，當水溫達到某一溫度值時，溫控開關將電池板與加熱裝置斷開。當不需要給水杯加熱時，按下充電轉換開關，太陽能板即與鋰電池充電電路接通進行充電。當需要給電子設備進行應急充電時，用外接數據線將鋰電池與電子設備連接，系統工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統工作原理圖Fig.2 The work principle

3 水杯功能的詳細設計

水杯主要功能為加熱保溫、蓄電、驅蚊和方向指示，各部分功能由下列結構實現。

(1)杯蓋、內膽和杯底均采用食品級不銹鋼材料制成，杯蓋與杯體通過螺紋連接。杯蓋設計為雙層結構，杯蓋上下層通過螺紋擰緊，杯蓋上下層間形成的空間可作為儲物格放置藥片等零散易失的小物品，杯蓋內側為聚丙烯材料的螺塞，防止漏氣或漏水從而延長溫度保溫時間。杯蓋頂部設有凹槽，在凹槽內部嵌入指南針，方便人們辨別方向。杯蓋結構如圖3所示。

圖3 雙層杯蓋結構Fig.3 Double-layer structure of lid

(2)杯子外殼為塑料材質，保溫效果好。保溫外殼與內膽間填充絕熱性良好的保溫材料以延長水杯保溫時間。

(3)保溫外殼做成橢圓方形，杯把安裝在保溫外殼上，三塊太陽能電池板分別嵌入保溫外殼三個表面。電池板采用柔性薄膜太陽能電池板，其重量比雙層玻璃的太陽能電池片組件輕80%，適用于設計到便攜式產品上［5］。柔性加熱片貼附于內膽外壁上，電池板將光能轉化成電能，通過溫控開關與加熱片連接。

(4)太陽能電池板除了給加熱片供電外，還要與設置于杯底底部的鋰電池連接給其蓄電，當有需要時，可通過杯底部的USB插口給手機等電子產品應急充電。

(5)超聲波驅蚊器由于采用聲波共振技術來達到驅蚊的目的，綠色環保，因此在水杯外殼一側加裝一個聲波裝置，通過開關設定由太陽能電池板或鋰電池供電。

(6)杯子底部進行防滑設計，并設計旋蓋，需要檢查底部線路時可將旋蓋打開。

4 結束語

太陽能作為一種可持續利用的清潔能源在工業和農業已得到廣泛應用，隨著太陽能利用技術的不斷發展，太陽能產品已經越來越多地應用于人們的日常生活。針對人們日常生活中廣泛使用的保溫水杯，結合問卷調查分析，本文提出了一種適合林業野外作業或戶外活動攜帶的多功能保溫水杯設計方案，將太陽能加熱、蓄電和聲波驅蚊等功能結合為一體，可以解決人們在野外沒有電源加熱水和手機等電子設備應急充電等需求，彌補普通保溫水杯功能單一的缺點，方便野外作業人員的應急需求。

［1］趙美玲.基于大學生需求的一項產品概念設計-智能人性化水杯［J］.中國市場，2013(13):23-25.

［2］李博文，王志坤，孫如軍.新型多功能水杯的研究［J］.電子世界，2014(9):71.

［3］周 天，詹 云.為便捷而設計-多功能水杯的設計研究與實踐［J］.藝術科技，2014(3):39.

［4］宋 欣，郭 偉，劉建琴.QFD中用戶需求到技術特性的映射方法［J］.天津大學學報，2010，43(2):174-180.

［5］任龍杰，魏民祥.簡易太陽能熱水杯的設計及節能分析［J］.節能，2006(9):41-43.