一种适于野外作业用多功能太阳能保温水杯设计

陈梦琳，董春芳，李 鑫，赵 欢，裴笑阅

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

水杯是人们日常生活中不可缺少的物品，尤其对于从事林区作业和森林资源调查等工作的人员来说，由于工作环境比较艰苦，野外工作量大，甚至需要在气温较低情况下进行长时间工作，因此一款方便实用的保温水杯是进行外业工作时选择携带的首要物品。随着科技的发展和人们对生活品质要求的不断提升，水杯的造型和功能越来越多样化，如面向大众的各类普通水杯和保温水杯，面向养生需求人群的各类功能性水杯，面向走在潮流前端年轻人的各种智能水杯等等［1-3］。但这些功能对于进行野外作业的林业工作者而言意义不大，而普通保温水杯保温时长有限，因此设计一款简单实用的多功能保温水杯不仅能够满足进行外业的各类工作人员需要，也适合长时间户外活动的人群使用，会具有广阔的市场前景。

1 多功能保温水杯需求分析

目前市场上的保温水杯种类样式繁多，就其功能来说只有单一的保温功能，在室温条件下保温时长平均为3～5 h。对于经常在野外作业的人而言，除了对热水的需求外，有时还有辨别方向、照明、手机等电子设备应急充电等需求，虽然这些需求有相应的物品来满足，但有些物品体积较小容易丢失，如果将它们集成在一起则更方便携带。对于这种集多种功能于一体的保温水杯设计还应以使用人群的需求分析为基础，而质量功能展开(QFD)作为一种基于需求分析的产品逆向开发方法可以有效实现由需求到产品功能要素的转换［4］。由于东北林业大学一些科研试验、调查取样等经常需要在林区进行，因此本文以东北林业大学师生为调查对象，根据需求调查结果再通过QFD方法确定保温水杯的功能要求并以此确定结构方案，调查统计结果见表1。

表1 问卷调查统计结果Tab.1 The result of questionnaire

由表1可以看出，进行外业的人员更希望水杯功能有所增加。根据对调查问卷中各种功能需求进行整理归纳，得到展开的功能需求与功能要素展开表，见表2。

表2 功能需求与功能要素展开表Tab.2 Deployment of function requirements and elements

将功能需求间的关联度从极强到极弱赋值1～9，采用层次分析法(AHP)对功能需求重要度进行评定［4］。对每一项功能需求与功能要素间相关关系进行打分，用◎、○、△分别代表强相关、相关和弱相关，得到功能需求与功能要素相关矩阵表，见表3。

表3 功能需求与功能要素相关矩阵表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为多功能保温水杯设计的依据。在野外活动或作业时，由于保温水杯都放在背包外置网袋中，不适合手持照明，而且在重要度排序中照明装置重要度最低，因此在设计时暂不考虑该功能。

2 总体方案

根据表3给出的功能要素重要度，本着便携实用的目的，将加热、蓄电、驱蚊、太阳能利用等功能结合设计一种多功能保温水杯，水杯整体上由杯盖、保温外壳、内胆、杯底、杯把、太阳能板、加热装置、温控开关、锂电池和指南针等组成，整体结构如图1所示。

图1 水杯整体结构Fig.1 The structure of solar thermos flask

当水温低于25℃时，温控开关将太阳能电池板与加热装置接通，太阳能电池板即开始工作，当水温达到某一温度值时，温控开关将电池板与加热装置断开。当不需要给水杯加热时，按下充电转换开关，太阳能板即与锂电池充电电路接通进行充电。当需要给电子设备进行应急充电时，用外接数据线将锂电池与电子设备连接，系统工作原理图如图2所示。

图2 系统工作原理图Fig.2 The work principle

3 水杯功能的详细设计

水杯主要功能为加热保温、蓄电、驱蚊和方向指示，各部分功能由下列结构实现。

(1)杯盖、内胆和杯底均采用食品级不锈钢材料制成，杯盖与杯体通过螺纹连接。杯盖设计为双层结构，杯盖上下层通过螺纹拧紧，杯盖上下层间形成的空间可作为储物格放置药片等零散易失的小物品，杯盖内侧为聚丙烯材料的螺塞，防止漏气或漏水从而延长温度保温时间。杯盖顶部设有凹槽，在凹槽内部嵌入指南针，方便人们辨别方向。杯盖结构如图3所示。

图3 双层杯盖结构Fig.3 Double-layer structure of lid

(2)杯子外壳为塑料材质，保温效果好。保温外壳与内胆间填充绝热性良好的保温材料以延长水杯保温时间。

(3)保温外壳做成椭圆方形，杯把安装在保温外壳上，三块太阳能电池板分别嵌入保温外壳三个表面。电池板采用柔性薄膜太阳能电池板，其重量比双层玻璃的太阳能电池片组件轻80%，适用于设计到便携式产品上［5］。柔性加热片贴附于内胆外壁上，电池板将光能转化成电能，通过温控开关与加热片连接。

(4)太阳能电池板除了给加热片供电外，还要与设置于杯底底部的锂电池连接给其蓄电，当有需要时，可通过杯底部的USB插口给手机等电子产品应急充电。

(5)超声波驱蚊器由于采用声波共振技术来达到驱蚊的目的，绿色环保，因此在水杯外壳一侧加装一个声波装置，通过开关设定由太阳能电池板或锂电池供电。

(6)杯子底部进行防滑设计，并设计旋盖，需要检查底部线路时可将旋盖打开。

4 结束语

太阳能作为一种可持续利用的清洁能源在工业和农业已得到广泛应用，随着太阳能利用技术的不断发展，太阳能产品已经越来越多地应用于人们的日常生活。针对人们日常生活中广泛使用的保温水杯，结合问卷调查分析，本文提出了一种适合林业野外作业或户外活动携带的多功能保温水杯设计方案，将太阳能加热、蓄电和声波驱蚊等功能结合为一体，可以解决人们在野外没有电源加热水和手机等电子设备应急充电等需求，弥补普通保温水杯功能单一的缺点，方便野外作业人员的应急需求。

［1］赵美玲.基于大学生需求的一项产品概念设计-智能人性化水杯［J］.中国市场，2013(13):23-25.

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

［3］周 天，詹 云.为便捷而设计-多功能水杯的设计研究与实践［J］.艺术科技，2014(3):39.

［4］宋 欣，郭 伟，刘建琴.QFD中用户需求到技术特性的映射方法［J］.天津大学学报，2010，43(2):174-180.

［5］任龙杰，魏民祥.简易太阳能热水杯的设计及节能分析［J］.节能，2006(9):41-43.