基于半導體片的加熱制冷保溫杯的設計

戎杰 常凱

摘 要：傳統制冷方式受工作環境所局限。設計一種集制冷、加熱和保溫為一體的便攜制冷杯，分析其可行性及實用性，。設計方案采用單片機芯片和溫度感應器實時監測溫度，通過半導體熱電偶的正反接實現制冷和加熱，利用導溫材料及時將熱量散出。最終提出一種成熟的能實現設計要求的產品，可以更大程度的便利人們的生活。

關鍵詞：加熱制冷和保溫；溫度傳感；散熱；單片機；半導體

1 研究目的及意義

現在市面上的制冷、加熱方式主要以電冰箱和飲水機為主，并且二者已經廣泛應用于市場，但是二者的工作環境又極大地受到環境的限制。因此，研究出一種不受工作環境限制且運行穩定的集制冷、加熱、保溫為一體的便攜式水杯將具有廣闊的市場前景。

近幾年來市面上不斷的出現各種一保溫為主的便攜式水杯，以服務于人們的生活，但是能夠將制冷、加熱、保溫結合在一起的便攜式水杯仍舊沒有得到較大的發展，更沒有出現能在市面上推廣的產品。

所以，此項研究以旨在提高人們的生活便利，節約日常飲用成本，通過查閱資料和了解現有產品的特性，進行改進和創造，力求實現一種體積小、多功能、高度穩定性和適用于各種環境的制冷/加熱器。本項目基于半導體制冷原理——當直流電通過兩種不同的半導體材料串聯而成的熱電偶時，在電偶兩端即可吸收熱量和放出熱量，實現制冷、加熱的目的。該設計內置可充電蓄電池，搭配溫度傳感器、溫度控制器以及底部的散熱裝置，產品體積小、方便攜帶、穩定性高，能在任何環境下工作。旨在打破傳統的電冰箱制冷模式，創造一種不受工作環境所限制的制冷、加熱器，能夠迅速制冷、加熱水和各種飲料且能保持水冷的時間較長，可以廣泛應用于生活領域，如酒吧、冷飲店，本發明的成本低，所以同樣適用于學生以及工作人群，可以大大節約人們在飲水上的生活成本。

2 產品設計的主要內容

本項目時基于目前市面上所有的制冷設備，制冷方式及原理，得到全覆蓋式的改進靈感。創新性的設計研究出一款集制冷、加熱、保溫為一體的便攜式水杯，研究其可行性，并對產品進行三維建模，然后對產品進行設計制造。主要設計內容及其能達到的功能如下。

2.1 最上方的是杯蓋，杯蓋頂部是一個溫度顯示器（內置電池供電），其連接有溫度探測器，溫度傳感器將采集來的數據通過AD轉換輸入到51單片機中，單片機對輸入的信號進行處理，然后再將處理結果顯示在數碼管或液晶顯示屏上。通過這個設計可以隨時對容器中水的溫度進行監控，防止溫度過高導致意外燙傷，也能防止溫度過低導致意外凍傷。

2.2 往下就是杯體，杯體從內到外依次是內層容器、制冷區域、保溫區域以及外層組成，內層是容器，用來盛裝水和飲料等液體；制冷區域內含半導體制冷片，通電時吸收內層的水和飲料中的熱量，實現快速降溫，或者釋放熱量，實現快速加熱；保溫層內只有保溫隔熱材料，可以長時間的保持已達到的溫度；

2.3 杯體內層下面就是半導體片，半導體片采用4根導線連接，其中一對導線接蓄電池的正、負極，另一對則接到蓄電池的負、正極上，兩對導線的聯通才用兩個單刀雙擲開關K1和K2控制，通過兩個開關的閉合，控制正向直流電和反向直流電的流通，進而達到制冷、加熱的目的。且可根據要求，選用不同功率的半導體片。

2.4 蓄電池上接有溫度調節開關，可以通過控制電流的輸出來控制半導體制冷/加熱片的最大溫差。其可分為中高低三個檔位，可以隨心所欲的控制制冷/加熱所需達到的最低/最高的溫度大小。

2.5 整個杯子的底部就是散熱裝置了，內置一個小功率散熱風扇，其由一個低功率馬達驅動，其電源來自于與半導體片所連接的蓄電池供應。整個杯子底座采用圓臺式設計，能夠保持高度穩定性，底座的內部中空（除一個小型風扇外），圓臺整體布滿散熱孔，可以促進散熱。

2.6 利用半導體制冷片兩端的溫差趨于穩定，在半導體制冷/加熱片和下面的底座中間還有一層導熱層，可以促進熱量往底座（散熱裝置）傳遞，能有效地提高工作效率。

3 產品創新特點及發展前景：

3.1 本產品集制冷、加熱和保溫為一體，采用小結構、輕量化設計，便攜便利；不僅可以對各種液體進行加熱、制冷，也能對小型固體進行降溫保存處理。切內部的半導體片也可根據不同環境的工作需求進行替換，實用性大大增強。

3.2 產品無運動部件，基本不會產生噪聲。且整體結構緊湊，穩定性強；采用半導體制冷也不會對環境產生任何污染。

3.3 本產品采用導熱片+散熱裝置共同工作，根據半導體制冷片兩端的溫差是保持在一定范圍內的原理，進行快速降溫。且杯蓋置有溫度顯示器，可以實時監控溫度變化。而溫度控制器可以根據不同人群的需求進行溫度控制。

3.4 本產品設置有自動斷電裝置，當溫度降低或升高到最高點時，通過溫度傳感器發出信號，通過自動控制開關進行斷電處理，可以有效地節約能耗。

在傳統制冷、加熱設備牢牢占據市場的情況下，新型的制冷方式也不斷地涌現，其設計方向也主要在于便捷消費者的生活。所以研制一種低成本的、多功能化的以及滿足各種環境需求的同時也具有高度普適性——即能夠大面積推廣的制冷器，已經成了未來的一個重要研究方向。

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