運動自發熱護膝

周清

摘 要：冬季以及季節變化的時期人們為了御寒往往會運動，但是運動產生的熱量主要集中在肌肉多的地方，而膝關節等肌肉少的地方的溫度并沒有提高，為了使對風濕、類風濕關節炎患者、中老年人群關節炎通過運動達到溫熱理療的效果。本設計是一種可以通過走動健身產生的機械能轉換為電能發熱使膝關節達到保暖的護膝，就是在護膝里安裝活性碳纖維發熱布，當有電流流過碳纖維時會出現均勻的發熱現象，從而達到提高溫度的目的。為了活動方便不能采用固定電源，而普通的充電電池有能量與體積的沖突，因此引用手壓電筒的原理采用手壓式自發電裝置，這樣使用者只要做簡單行走運動就可以讓護膝發熱達到保暖的目的并可以有效防止風濕、類風濕關節炎并減少關節疼痛。

關鍵詞：運動自發熱護膝；行走運動發電；活性碳纖維；電流熱效應

中圖分類號：R441.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0041-02

0 引言

經常看到那些風濕、類風濕關節炎患者，每到冬天都要帶上厚厚的護膝，但是效果不是很好。現在市面上有利用化學物質反應的熱敷貼，但是經常使用花銷很大，而且會帶來環境的污染。本設計就是探尋持續的清潔能源使護膝持續加溫，從而解決關節炎病人煩惱的產品。

1 運動自發熱護膝的能源設計與論證

要給護膝持續加溫就需要持久的電源，如果采用外接電源使用起來不是很方便。采用充電電池也會發生能量與體積的沖突。本設計引用把手壓（搖）式電筒的原理，這樣護膝就有了持續的便攜式電源，這樣不僅可以很好的解決便攜式電源的能量與體積的沖突，使用者只要通過行走運動就可以實現持續能量的產生，并促使使用者鍛煉。

本設計采用拉力式發電機，在大腿、小腿處各安裝一個固定帶，利用人體走路時提腿運動使發電機產生電流，如圖2所示。一個50kg的成年人的行走時使鐵芯在線圈內運動3cm就會產生15焦耳的能量，如果每分鐘雙腳各運動10次就會有300焦耳的能量，這樣時候可以得到比較穩定的電能，當溫度達到設定溫度（35℃左右）的時候自動轉為沖電模式，溫度低于設定程度（30℃左右）就自動從電池放電。電池設有自動報警功能，如果電池的電量不足的時候會提示運動發電。

該自發電源電路原理如圖1所示。在使用的時候行走充電器，使它的磁鐵移動，通過線圈即產生電能，再經圖中的d1-d4整流，c1貯能向電池cr2032充電而實現自發電的功能。通過智能溫控開關控制使護膝發熱。

為了使用方便我在發電設備安裝外面安裝了一個外殼，這樣就大大減少了故障發生的概率。由于護膝的體積不能太大，本設計把電池設計成環狀。

2 保暖護膝的發熱材料的研究與論證

在保暖護膝的發熱材料上本設計也進行了深入的研究。首先想到了電熱毯，電熱毯通過電流的熱效應，將電能轉化為內能，可以達到加熱的目的，如果能夠根據電熱毯的工作原理制作一個小型塊狀加熱片，不就可以達到很定加熱的目的嗎？通過對舊電熱毯的研究發現，電熱毯的發熱材料為一根彎曲的電阻絲，電阻絲周圍填有真空棉之類的導熱材料，作用是熱量均衡。通過試驗，證明這一設計思路的可行的，但是仍然存在很多不足之處。

第一，電阻絲的排列不能太近，間距太小時發熱功率往往較大，開始試用時還好，時間稍長就會有灼熱感，甚至感覺很燙。

第二，間距太大時發熱點又太過分散，單靠真空棉一類的導熱材料無法達到足夠的熱量均衡，其結果就是靠近電阻絲的地方溫度較高，而遠離電阻絲的地方溫度卻較低（這一現象在作為床上使用的電熱毯時影響往往不夠明顯，但是用在護膝里加熱時其不足就顯得十分明顯了）。

第三，金屬材質的電阻絲抗折疊性能不好，而且任何一根折斷整個支路就不能正常發熱。

第四，金屬材質的電阻絲比較硬，而人的膝蓋處不是很平整，這樣使用效果會大打折扣。

基于以上幾個問題，通過各類書籍、網絡、甚至相關廣告查找大量的資料，終于找到了一種合適的制作材料，即由碳纖維發熱材料等壓制而成的活性碳纖維發熱布。碳纖維發熱布是最新發明的高新技術產品，采用尖端發熱材料-碳素纖維和棉纖維合制而成后壓膜耐熱性絕緣聚氨酯材料，是一種新型的高性能纖維增強材料。碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕、防水、抗蠕變、導電、導熱等諸多優異性能，可以說是金屬絲、PTC等電熱材料，所不可比擬的極佳的發熱材料。當活性碳纖維發熱布通電后，碳纖維和棉纖維二者的分子形態進行結合，釋放出波長為5-20微米的電磁波，所輻射的電磁波中有90%以上的屬于遠紅外線熱輻射，由于紅外線的熱效應很明顯，所以活性炭纖維發熱布的發熱效果很好。

除此之外，活性碳纖維布還有以下幾種優點：

第一，溫度提升速度快，由0°C升至37°C僅需1分鐘左右（可謂“通電即熱”），而且可以使用溫控器隨意調節溫度，參數設定之后幾乎可以保證發熱體達到恒溫狀態。

第二，省電節能性能良好，由于其每根纖維都是一個微小的發熱體，纖維的排列呈密集的網狀分布，所以纖維布上各個部位都在發熱，發熱面積大，溫度分布均勻，發熱效果極佳，其電能到內能的轉換率可以達到98%以上，實現最大限度地降低能耗。

第三，活性碳纖維發熱布具有很高的安全可靠性。活性碳纖維布質地柔軟，可折疊，可擠壓，不會出現斷裂和破碎現象，這就有效的防止了斷路、漏電現象的發生；其獨特的碳棉分子結合遠紅外發熱原理確保了該產品不會產生明火，有效避免燃燒火患；另外，其先進的涂刮壓膜技術實現發熱層與耐熱性絕緣材料渾然一體，可以有效的杜絕短路情況的發生。

第四，由于活性碳纖維布具有獨特的超薄設計，厚度只有1毫米，而且質地柔軟，所以使用時更加貼護肌體曲線，達到全面保溫的效果。

第五，活性碳纖維材料的物理性能良好，其抗拉強度高于鋼材3-4倍，鋼度高于2-3倍，耐疲勞性高于2倍，克服了金屬絲、PTC、碳化硅等電熱材料在電熱狀態下強度低、易氧化燒斷的缺點。由于碳纖維是網狀發熱體，因此，即便有1根折斷也不會影響整體通電發熱，這種平行均勻排列設計徹底解決了斷一處而失全局的隱患。

發熱部分的核心內容就是活性碳纖維布，它通過在碳、棉兩種纖維合制后壓膜了一層耐熱性絕緣聚氨酯材料制作而成，厚度約為1.5mm。為了保護發熱用的活性碳纖維布，還特別在外面增加了一個由PVC面料制成的套層。PVC套層能夠防止活性碳纖維布的磨損，能增強防水緣聚氨酯壓膜層的防水性能。

3 結語

本設計的適用于風濕性關節炎、類風濕關節炎、中老年人群關節炎、腰腿疼痛、老寒腿、戶外運動人員等癥的溫熱理療。有以下功能：

（1）通過自發電加熱，不需要利用化學物質的發熱來給膝關節加熱，使用清潔能源。

（2）能夠深度的刺激膝蓋的內關、外關節等人體的關鍵部位。尤其針對戶外運動人員，起到了消除肌肉疲勞，加強膝關節的血液循環。還能夠激活細胞促進新陳代謝、疏通經絡、祛風除濕、陣痛驅寒、增強機體抗病能力。

（3）促進老年人（或風濕、類風濕病患者）運動并可以緩解老年人關節疼痛。

參考文獻

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