環(huán)保型暖手球設(shè)計(jì)

1、1 緒論各層標(biāo)題均單獨(dú)占行書寫一級(jí)標(biāo)題為三號(hào)黑體字，第一級(jí)標(biāo)題居中書寫暖手寶是運(yùn)用物理及化學(xué)原理研制的自動(dòng)取暖保健用品。該產(chǎn)品以其自動(dòng)生熱，有趣，實(shí)用等新穎獨(dú)特的優(yōu)勢，深受歡迎暖手寶具有自動(dòng)取暖，理療保健等多種功能。目前市場上的電暖寶產(chǎn)品有電熱餅和電熱水袋兩大類。從電熱水袋的發(fā)熱原理看，有電極式和電熱元件式兩大類?，F(xiàn)行的電熱暖手裝置多種多樣，但是目前市場上的暖手寶基本上都是一次性的，普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，安全性能差，使用壽命短的缺陷。所以，我要研究的是一種溫控安全保護(hù)，使用更安全；全新儲(chǔ)能發(fā)熱體，加熱生溫迅速更穩(wěn)定，保溫時(shí)間長效果好，并且可以循環(huán)利用的環(huán)保暖手寶。現(xiàn)在的暖手寶一般采用耐

2、高溫的PC材料制造而成，但是，它的缺點(diǎn)顯而易見，就是容易變形燙傷，而且容易液體外露，引起內(nèi)部元件短路損壞。所以，在外殼方面我會(huì)多做實(shí)驗(yàn)，比如：木頭，塑料，椰殼，金屬哪個(gè)更適合人機(jī)工程學(xué)。從而選出最適合的暖手球外殼。我也會(huì)實(shí)驗(yàn)選出最適合的保溫介質(zhì)。我會(huì)通過市場調(diào)查，結(jié)構(gòu)功能分析，做實(shí)驗(yàn)選出最合適的傳溫介質(zhì)，通過石膏模型選出最舒適的外殼形狀，以及繪制草圖和三維模型制作做出最合理最實(shí)用的暖手球設(shè)計(jì)?？傊疫@次研究的主題就是發(fā)明一種新型實(shí)用又環(huán)保的暖手寶，讓它更安全，更適用于普通人群使用。12- -2 市場調(diào)查2.1 對(duì)市場上現(xiàn)有暖手寶調(diào)查隨著人們生活水平的提高，電暖寶成為家庭必備的東西，畢竟可以取

3、暖，還可以理療，熱敷，由于以前鐵質(zhì)外科不便攜帶，現(xiàn)在出現(xiàn)了儲(chǔ)水式電暖寶，材料采用軟質(zhì)或絨質(zhì)，柔軟，沒有任何化學(xué)加熱劑，沒有異味，熱效率更高，國內(nèi)生產(chǎn)的企業(yè)很多，在北方城市，電暖寶在寒冷日子里成為除手機(jī)之外的另一個(gè)必備生活用品了。暖手設(shè)備在最近幾年很快的發(fā)展，暖手設(shè)備最好的好處就是方便攜帶，價(jià)格便宜。現(xiàn)在市面上的暖手設(shè)備主要有：暖手球，暖手寶，暖水袋等。下面我要對(duì)現(xiàn)在市場上存在幾種暖手球以及他們的結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行調(diào)查，以便我能設(shè)計(jì)出更合理人性化，更實(shí)用的暖手球。 2.1.1 市場上現(xiàn)有的幾種暖手球類型圖2-1充電暖手球 圖 2-2USB暖手球圖2-3暖手寶 圖2-4古典暖手爐圖2-5 充電暖手器

4、圖2-6暖水袋2.1.2 固體電加熱方式調(diào)查1.金屬管狀加熱功能原理：管狀加熱元件是一種在金屬管中放入電阻絲，并在周圍空隙部分緊密填充有良好耐熱性、導(dǎo)熱性和絕緣性的結(jié)晶氧化鎂粉，再通過其他工藝處理的加熱元件。它具有結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，熱效率高，安全可靠，安裝方便，使用壽命長凳特點(diǎn)。廣泛用于各種硝石槽，水槽，酸堿槽及空氣加熱爐干燥箱，熱模具等裝置。它的原理：在金屬管與電熱絲之間填充電熔結(jié)晶氧化鎂粉作為絕緣和導(dǎo)熱層。2.等離子加熱利用工作氣體電離形成等離子體的高溫和等離子體中自由電子與正離子復(fù)合時(shí)釋放的能量進(jìn)行的電加熱。 原理 等離子加熱等離子狀態(tài)是指物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫下脫離原子核的吸引，使

5、物質(zhì)呈為正負(fù)帶電粒子狀態(tài)存在。 在日常生活中，我們會(huì)遇到各種各樣的物質(zhì)根據(jù)它們的狀態(tài)，可以分為三大類，即固體、液體和氣體例如鋼鐵是固體，水是液體，而氧氣是氣體任何一種物質(zhì)，在一定條件下都能在這三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變3.PTC加熱器 恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫發(fā)熱特性,其原理是PTC熱敏電阻加電后自熱升溫使阻值進(jìn)入躍變區(qū),恒溫加熱PTC熱敏電阻表面溫度將保持恒定值,該溫度只與PTC熱敏電阻的居里溫度和外加電壓有關(guān),而與環(huán)境溫度基本無關(guān). PTC加熱器就是利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫發(fā)熱特性設(shè)計(jì)的加熱器件.在中小功率加熱場合, PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然

6、壽命長等傳統(tǒng)發(fā)熱元件無法比擬的優(yōu)勢, 在電熱器具中的應(yīng)用越來越受到研發(fā)工程師的青睞.恒溫加熱PTC熱敏電阻可制作成多種外形結(jié)構(gòu)和不同規(guī)格,常見的有圓片形、長方形、長條形 、圓環(huán)以及蜂窩多孔狀等.把上述PTC發(fā)熱元件和金屬構(gòu)件進(jìn)行組合可以形成各種形式的大功率PTC加熱器.PTC加熱器按傳導(dǎo)方式分：(1)以熱傳導(dǎo)為主的PTC陶瓷加熱器.其特點(diǎn)是通過PTC發(fā)熱元件表面安裝的電極板(導(dǎo)電兼?zhèn)鳠?絕緣層(隔電兼?zhèn)鳠?導(dǎo)熱蓄熱板(有的還附加有導(dǎo)熱膠)等多層傳熱結(jié)構(gòu),把PTC元件發(fā)出的熱量傳到被加熱的物體上.(2)以所形成的熱風(fēng)進(jìn)行對(duì)流式傳熱的各種PTC陶瓷熱風(fēng)器.其特點(diǎn)是輸出功率大,并能自動(dòng)調(diào)節(jié)吹出風(fēng)溫和

7、輸出熱量.圖2-7 PTC特性曲線 圖2-8 PTC加熱器(3)紅外線輻射加熱器.其特點(diǎn)實(shí)際利用PTC元件或?qū)岚灞砻嫜杆侔l(fā)出的熱量直接或間接地激發(fā)接觸其表面的遠(yuǎn)紅外涂料或遠(yuǎn)紅外材料使之輻射出紅外線,便構(gòu)成了PTC陶瓷紅外輻射加熱器. 4.試管加熱 加熱試管中的固體：加熱試管中的固體時(shí)，必須使試管口稍微向下傾斜、以免凝結(jié)在試管上的水珠流到灼熱的管底，而使試管炸破。試管可用試管夾夾持起來加熱，有時(shí)也可用鐵夾固定起來加熱。 加熱較多的固體時(shí)，可把固體放在蒸發(fā)皿中進(jìn)行，但應(yīng)注意充分?jǐn)嚢?，使固體受熱均勻。蒸發(fā)皿、坩堝灼熱時(shí)，可放在泥三角上。如需移動(dòng)，醫(yī)學(xué)教育|網(wǎng)搜集整理則必須用坩堝鉗夾取。 5. PT

8、100鉑熱電阻PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0時(shí)它的阻值為100歐姆，在100時(shí)它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長的。其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導(dǎo)體都有這個(gè)性質(zhì)，但并不是都能用作測溫?zé)犭娮琛?.1.3 測固體溫度方式調(diào)查側(cè)固體溫度可以用紅外線溫度測量儀測，可以用溫度傳感器，也可以用間接的方法測。 1.間接測法，如果被測物體較小，（對(duì)于溫度較高的物體）先測出其質(zhì)量M1，從物理手冊(cè)中查出其比熱c1，再將其投入一定質(zhì)

9、量M2、一定溫度t2的水中（水與物體要有較大些的溫度差），當(dāng)物體的溫度與水的溫度達(dá)到相等時(shí)，此時(shí)測出水的溫度t3，作如下計(jì)算：（已知水的比熱c2為1） Q水吸=c2M2(t3-t2) ，Q物放=c1M1(t1-t3) 因?yàn)镼水吸=Q物放 所以 ，c2(t3-t2)=c1(t1-t3) 此式中此時(shí)只有物體原來的溫度t1是未知量，把其它的數(shù)代進(jìn)式中就可以算出物體原來的溫度了。圖2-8 間接測量法2.溫度傳感器是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的一種傳感器。利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分

10、為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。它將物體的溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，它具有結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬，穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。不同的溫度傳感器制作方法不同，常見的有熱敏電阻、熱電偶和集成型產(chǎn)品。其發(fā)展大體經(jīng)歷了從分體式、模擬集成到智能型階段。現(xiàn)在的溫度傳感器不僅溫度信號(hào)輸出，還可以集成濕度測量，信號(hào)輸出也由原來的單一信號(hào)變成多樣化的輸出形式，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進(jìn)行記錄、上限報(bào)警和自控控制等多種功能。 圖2-10溫度傳感器（熱敏電阻） 圖2-11 溫度傳感器 3. 紅外線溫度測量儀，紅外測溫的理論根據(jù)是普朗克黑體輻射定律，它定量地確定了不同溫

11、度的黑體在各個(gè)波長的電磁輻射能量的大小。 特點(diǎn)：(1)發(fā)射率可調(diào)（2）DS物距比升級(jí)到12：1（3）溫度調(diào)整為-50C°850C°（4）測溫精度可達(dá)到±1.5或者±1.5 2.1.4 暖手寶的傳溫介質(zhì)調(diào)查 1.電熱寶里面是水和一定量的電解質(zhì)的混合溶液，水由于比熱容大，可以作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，電解質(zhì)使得水能夠?qū)щ?，產(chǎn)生大量的熱，加熱水。所以在我們打開電熱水袋放掉里面的水過后加入自來水就不能加熱。 2.熱蠟暖手寶，就是想暖水袋一樣的，里面裝滿了蠟，把里面的一個(gè)金屬片一掰，就硬了，然后發(fā)熱。 3暖寶寶的成分主要是鐵粉、活性炭、非金屬礦物粉和食鹽。選料非常嚴(yán)格，鐵粉選

12、用的是高純度鐵粉，活性炭選用的是精致原生炭，不干膠采用的是無毒的醫(yī)用膠，不會(huì)對(duì)人體有任何的毒害。用過的暖寶寶里面的粉末可以當(dāng)做花肥料。4.有機(jī)植物，比如：豆類、小麥等較便宜的植物果實(shí)。5.沙子，沙子是市場上普通暖手球選用的傳聞介質(zhì)。沙子由礦物和微小的巖石碎片組成。因?yàn)樯匙拥谋葻崛菔?90J/(kg · )，相對(duì)比較小，所以沙子吸熱升溫或放熱降溫的速度都比較快。2.1.5 外殼材料調(diào)查可以用來加熱的材料有許多種，但是我要設(shè)計(jì)的暖手球必須是環(huán)保、耐用、舒適且安全的。因?yàn)椋疫x用的加熱方式是電加熱，所以外殼材料也最好是電絕緣材料，來保證用戶的安全。下面是幾種市場上常見的暖手寶的外殼的制作材

13、料的簡介。1.絕緣塑料按照用途大體上可分為：一般用絕緣塑料：注射型絕緣塑料 ；高電性能絕緣塑料 ；耐高頻絕緣塑料等。一般用絕緣塑料是由酚醛樹脂 、木粉、六次甲基四胺、添加劑、顏料、潤滑劑組成，可呈現(xiàn)黑色或棕色。采用模壓法制造電工、無線電、儀表的絕緣件或結(jié)構(gòu)件。2.陶瓷。陶瓷原料是地球原有的大量資源黏土經(jīng)過淬取而成。而粘土的性質(zhì)具韌性，常溫遇水可塑，微干可雕，全干可磨；燒至700度可成陶器能裝水；燒至1230度則瓷化，可完全不吸水且耐高溫耐腐蝕。3.玻璃。琉璃是一種透明、強(qiáng)度及硬度頗高，不透氣的物料。玻璃在日常環(huán)境中呈化學(xué)惰性，也不會(huì)與生物起作用，故此用途非常廣泛。玻璃在常溫下類似固體狀態(tài)，屬于

14、易碎品。4. PVB中間膜：中間膜是半透明的薄膜，由聚乙烯醇縮丁醛樹脂經(jīng)增塑劑塑化擠壓成型的一種高分子材料。外觀為半透明薄膜，無雜質(zhì)，表面平整，有一定的粗糙度和良好的柔軟性，對(duì)無機(jī)玻璃有很好的粘結(jié)力、具有透明、耐熱、耐寒、耐濕、機(jī)械強(qiáng)度高等特性，是當(dāng)前世界上制造夾層、安全玻璃用的最佳粘合材料，同時(shí)在建筑幕墻、招罩棚、櫥窗、銀行柜臺(tái)、監(jiān)獄探視窗、煉鋼爐屏幕及各種防彈玻璃等建筑領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。5.金屬，如不銹鋼、銅等。不銹鋼是耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，所以它能使結(jié)構(gòu)部件永久地保持工程設(shè)計(jì)的完整性。含鉻不銹鋼還集機(jī)械強(qiáng)度和高延

15、伸性于一身，易于部件的加工制造，可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的需要。銅制器皿比較復(fù)古，具有一定的觀賞性，但價(jià)位會(huì)較高一些。2.2 市場調(diào)查問卷 2.2.1 調(diào)查問卷 為了設(shè)計(jì)出更適合市場和消費(fèi)者使用的暖手球，我先設(shè)計(jì)了一個(gè)通常問卷，通過對(duì)消費(fèi)者，生產(chǎn)者的調(diào)查和結(jié)果分析，得到更真實(shí)更貼近生活的方案。一共有100份問卷。有關(guān)暖手球的問卷調(diào)查1您購買暖手球時(shí)會(huì)考慮那些因素？（可多選 & 請(qǐng)?jiān)谥写颍〢.外觀 新奇有趣 低調(diào)簡約 正規(guī)傳統(tǒng) 無所謂B.價(jià)格 低價(jià)有好貨 高價(jià)買安心 高低皆可C.功能  單一鬧鐘 其他D.品牌 2對(duì)暖手球的外觀而言，您更喜歡？A塑料 B金屬 C玻璃 D陶瓷

16、3您一般通過什么方式選購戶暖手球？A.網(wǎng)上購買 B.商場購買 C.精品店購買4您能接受的暖手球的價(jià)格一般為多少？A.1020元 B.2030元 C.3050元 D.50元以上5您喜歡暖手球的色彩是那種？A.暖色系 B.冷色系6您覺得市場上的暖手球最需要改進(jìn)的地方？A.質(zhì)量 B.價(jià)格 C.功能7您認(rèn)為暖手球的外包裝很重要嗎？A.非常重要 B.無所謂 C.不重要8在生產(chǎn)過程中，暖手球的介質(zhì)材料多為？A.沙子 B.鐵粉 C.有機(jī)物 9在生產(chǎn)過程中，暖手球一般開關(guān)是什么方式？A手動(dòng) B.自動(dòng)斷電 C.沒有開關(guān) 10.你會(huì)在什么情況下使用暖手球？A上班 B.上課 C看電視 D其他11.你通常會(huì)選擇什么樣

17、式的暖手球？A卡通 B.時(shí)尚 C可愛 D 普通能用就行12.你購買暖手球的原因？A自己使用 B.送人 C其他 2.2.2 問卷結(jié)果與分析 ABCD111364211253121520317265743739204571296432433712 4939881127935578101729411311303127121264315表2-1問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果市場調(diào)查的主要目的：通過對(duì)暖手球市場的調(diào)查，了解各種市面銷售的暖手球的特點(diǎn)、文化品位、產(chǎn)品風(fēng)格與市場競爭力，結(jié)合書本以及網(wǎng)上搜集的資料去尋找自己要做的產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位。將100份問卷分別發(fā)放給各個(gè)年齡層，不同性別的消費(fèi)者以及不同環(huán)境的生產(chǎn)銷售人員，了解整

18、體市場環(huán)境（不同檔次，不同的銷售方式），了解消費(fèi)者的建議及對(duì)市場的需求。然后收齊問卷，統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。（1）消費(fèi)者買暖手球主要考慮的因素：圖2-12主要考慮因素對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者考慮的主要因素是價(jià)格和功能方面。所以我在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候主要要考慮這2個(gè)方面。暖手球要設(shè)計(jì)的實(shí)用，價(jià)格合理并且適合普通群眾使用。（2）消費(fèi)者喜歡的外殼材料為：通過調(diào)查結(jié)果柱狀圖，對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，可以清楚的看到消費(fèi)者最喜歡的外殼材料是塑料。因?yàn)榕智虻姆艧釡囟缺容^高，用金屬會(huì)燙手。玻璃做的外觀比較漂亮，但是不宜隨時(shí)攜帶，用起來比較方便。陶瓷的造價(jià)比較高，所以價(jià)位相對(duì)較高。所以，比較下來塑料是性

19、價(jià)比最高的。（3） 消費(fèi)者接受的暖手球的價(jià)位：通過調(diào)查結(jié)果以及柱狀圖的比較，發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者比較接受的暖手球區(qū)間是10-30元，30元以上多為送禮物。所以在設(shè)計(jì)暖手球時(shí)要注意各部件的選擇，不能選擇價(jià)位高的材料，要選擇性價(jià)比高的。圖2-14消費(fèi)者接受的價(jià)位（4）消費(fèi)者認(rèn)為市場上暖手球最需要改進(jìn)的部分：圖2-15消費(fèi)者認(rèn)為最需要改進(jìn)的部分 目前市場上的暖手球質(zhì)量是很大問題，經(jīng)常會(huì)看到關(guān)于暖手球出事的報(bào)道，所以質(zhì)量和安全性是個(gè)大問題。而且目前市場上的暖手球保暖時(shí)間都比較短，基本上只能保持5-10分鐘左右，所以設(shè)計(jì)時(shí)功能上也需要改進(jìn)。 綜上所訴，現(xiàn)有暖手球的特點(diǎn)，價(jià)位，結(jié)構(gòu)，原理等都已調(diào)查的比較清楚了，接下

20、來就可以設(shè)計(jì)功能更全面，更適合消費(fèi)者的暖手球了。3 市場定位 目前市場上暖手寶的外殼主要是塑料，金屬和布類。 暖手寶的內(nèi)部溫度還是相對(duì)較高的，金屬的會(huì)燙手，而且金屬傳熱散熱都快，所以保持熱量的時(shí)間也要短些。外殼為塑料的暖手球，內(nèi)部介質(zhì)多為沙子，沙子的比熱比較小，所以散熱也比較快。所以很多消費(fèi)者現(xiàn)在用暖水袋，而不用暖手球。但是暖手球的特點(diǎn)是體積小，便于攜帶，所以改進(jìn)一下還是很有市場的。 我要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是要在環(huán)保的基礎(chǔ)上比較實(shí)用，因此要按照人機(jī)選取外殼材料。而且價(jià)格要比較合理，適合普通人使用?，F(xiàn)在市場上的暖手球基本上都是一次性的，內(nèi)部要是有什么問題就不能用了。我的暖手球要是可以打開，并且可以更換介

21、質(zhì)的。我們的內(nèi)部介質(zhì)也決定用比較環(huán)保且保溫時(shí)間較長，而且可以循環(huán)利用的材料。比如：有機(jī)植物豆類。當(dāng)使用時(shí)間比較長使介質(zhì)本身的保溫效果變差之后，我們可以取出，換成新的介質(zhì)。這種介質(zhì)必須是日常時(shí)候中比較常見的，用戶可以方便購買。目前市場上的暖手球許多都是手動(dòng)開關(guān)的，這也有很大的不方便性，有時(shí)候會(huì)因?yàn)橥涥P(guān)掉而把暖手球燒壞。所以我的暖手球要設(shè)計(jì)成自動(dòng)斷電的，且把溫度感應(yīng)器與電加熱相結(jié)合，來選擇部件。 我設(shè)計(jì)的暖手球適用人群定位在10-60歲之間，是老人、病人、易凍傷人群及中小學(xué)生、喜歡冬天出去晨練的老人、野外作業(yè)人員等方便、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的取暖工具，可以長時(shí)間保持熱量。因此，在造型和功能設(shè)計(jì)上要實(shí)用。現(xiàn)在市場上的普通暖手球的價(jià)格通常在10-30元之間。但是，我設(shè)計(jì)的暖手球因?yàn)槭强裳h(huán)利用的，傳溫介質(zhì)也是比較先進(jìn)的，所以市場售價(jià)稍高，定位在 15 35 元?？膳l(fā)，也可在商城零售。由市場調(diào)查的結(jié)果可知，消費(fèi)者喜歡造型時(shí)尚或者比較卡通的暖手球，色彩要暖色系，設(shè)計(jì)時(shí)要在外觀上多花心思。4 功能分析4.1 暖手球的功能分析首先，我對(duì)暖手球的基本功能進(jìn)行分析，按功能性質(zhì)可以分成兩類：物質(zhì)功能和精神功能