一种自发热可控温便携式取暖器的设计

马玉凤 董春芳 李娟 赵翔 杨梓煜

摘 要 本設计为一款自发电便携式取暖器，以压电陶瓷发电系统为核心，集自发电部分，稳电集电部分和控温部分等多种功能模块于一体，自发电部分利用了压电陶瓷的正压电效应，稳电集电部分将收集到的电荷处理成可利用的电流，在解决了取暖器户外使用无法充电这一困扰的同时，也节约了能源，十分符合节能减排理念。其次该取暖器内置的控温装置，将温度控制在人体舒适温度范围内，解决了普通取暖装置存在的灼热感与低温烫伤等问题。且该款取暖器的设计极为轻巧，便于携带，适合外出旅游者使用。

关键词 压电陶瓷 便携式 节能 控温 自发电

中图分类号：TM02                                     文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.020

The Design of a Portable Heater with Self-heating Controlled Temperature

MA Yufeng， DONG Chunfang， LI Juan， ZHAO Xiang， YANG Ziyu

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract This design is a spontaneous electric portable heater， piezoelectric ceramic power generation system as the core， set the spontaneous electric parts， steady electric sets a variety of functions， such as electric parts and temperature control module into an organic whole， spontaneous electrical part using the direct piezoelectric effect of piezoelectric ceramic， steady electric sets electric parts will be collected by the handling charge into the current available， solved the heater can't charge the outdoor use a troubling at the same time， also save the energy， very accord with energy conservation and emissions reduction. Secondly， the built-in temperature control device of the heater controls the temperature within the comfortable temperature range of the human body， and solves the problems such as the burning sensation and low temperature scald existing in the common heating device. And the design of this kind of heater is extremely light， easy to carry， suitable for use by tourists outside.

Keywords Piezoelectric ceramics; portable; energy saving; temperature control; spontaneous electric

在寒冷季节，各种取暖产品备受人们青睐，从传统的热水袋到各式电加热取暖器，种类繁多。一些便于携带的、方便的取暖产品也成为了人们户外工作或活动的首选，例如电池式暖手宝、发热帖之类的产品。这些产品虽然满足了功能需求和方便性，但忽略了极其重要的安全性，节能环保也无法实现。

低温烫伤以及使用过程中的爆炸问题使得人们对其望而却步，大量采用充电式和电池式供能方法，使用成本高且未考虑到节能环保理念。而该款自发热可控温便携式取暖器很好地规避了这些问题，该取暖器采用无源供电，利用能量收集装置将环境中的动能转换成电能。压电材料在外力的作用下产生正压电效应，从而产生电能，而利用压电振动产生电能的这种压电能量收集器具有功率密度大、结构简单等特点。

该款取暖器还具有两个特点，一是可将人们日常生活中产生的机械能通过压电陶瓷的正压电效应转化为电能，在此基础上安置控温装置，以便外出工作或旅游的人携带，并起到节约能源的作用。二是当人们在户外取暖时，取暖器仍然处于发电的状态当中，此时人体本身就是一个动力源，因此无需再寻找充电设备;控温装置除了能提高人们使用的舒适度，还能提高电能的利用率。

1 整体方案设计

基于压电陶瓷的自发热可控温取暖器的整体结构设计如图1所示，主要包括压电陶瓷自发电部分、稳电部分、集电部分、控温部分以及发热部分等多种功模块。该取暖器以压电陶瓷自发电的电源为核心，通过收集稳定后的电能为发热材料提供电源，并通过控温装置实现温度范围的控制，不仅具有无外源供电的特点，还迎合了节能理念。

1.1 整体电路原理设计

本产品是基于压电陶瓷的自发电可控温便携式取暖器，设计过程中包括发电、集电、稳电、控温等一系列装置中转换过程，，所以电路设计也是实现取暖器功能的一大重点，如图2即为取暖器功能实现的整体结构原理电路图。

1.2 压电陶瓷自发电部分设计

本产品发电部分主要利用压电陶瓷振动发电的性质。其利用的是压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷在外力作用下产生电荷，从而将机械能转换成电能。压电陶瓷的正压电效应就是当受到外力时会产生机械变形，从而产生电荷，而当外力去掉后又恢复至初始不带电的状态，例如人在行走过程中脚对地面产生压力，脚离开地面又恢复原样。本产品使用的PZT压电陶瓷系统有非常强且稳定的压电性能。因为压电陶瓷本身硬且脆，所以将压电晶体与弹性体连接起来构成压电振子，又因压电振子振动产生大电压以及少量电荷，故采用并联方式的压电堆叠。厚度伸缩的压电振子堆叠比长度伸缩的压电堆叠能承受更大的力，在压电振子等量，压电堆叠能承受的力达到最大的情况下，厚度伸缩的压电堆叠能够产生更大的电流。经我们初步研究，本产品可以在发电的同时发热;以10cm 5cm的暖宝宝贴为例，从常温加热到40℃，发热电阻丝碳纤维取规格为3K电阻为144 /m，碳纤维比热容取0.0008J/（g k），只需6.73秒。

1.3 发电部分构成

多片压电陶瓷与1个开关串联而成，压电陶瓷通过身体部位的震动发电，开关控制压电陶瓷的数量，以此来控制产生电能的多少。最后根据所需电流的大小、适当的体积这两个条件来确定压电堆叠的层数n，厚度d，底面积A。如图3所示。

该款取暖器的自发电部分采用电极并联双压电片悬臂梁结构，组成有压电陶瓷片，以处于运动状态中的质量块作为梁的弹性材料，来接收施加的外力;将压电陶瓷粘在具有一定弹性的基本材料上并贴在悬臂梁的自由端，以保证在受到外力时能产生足够高的振动频率，从而将产生的电流最大化。为使发电装置能在较小的激励强度和较宽的频率范围内具备更强的发电能力，即采用多片压电振子发电。

联接方式采用输出电流较大的并联联接。此结构是将上下两个陶瓷片引出了电极接到一起，相互短接，然后作为发电装置的一个电极，另一个电极从金属片上引出。

1.4 发电部分总体排布

压电振子最主要的功能就是能量转换，因为外加作用力决定发电能力，所以利用提高外加作用力的方式来提高压电效率。本产品采用如下结构进行力的放大，以实现压电效率的提高，如图4所示。

1.5 稳电集电部分

压电能量收集技术是利用压电材料的压电效应来产生电能。压电能量的收集装置结构是也本产品的研究重点之一。本产品的压电能量收集装置具有体积小，结构简单，无电磁干扰、易于加工制作的优点。为了实现取暖器在使用过程中持续发电，需要对压电陶瓷产生的交流电进行处理。首先，利用整流电路将压电陶瓷振动产生的交流电转化为直流电，但此时的波形并不稳定，需要进一步进行滤波，接下来利用稳压装置将滤波后的易突变电压进行稳定，经过处理后的电流最终被送入存储电路中，实现稳电集电。整流滤波电路如图5所示。

倍压整流电路可以将较低的交流电利用耐压较高的整流作用，将电压储存在各自的電容上，然后按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压。倍压整流电路输出的直流电压波形还不够好，因此需要滤波电路进行滤波以减小输出电压的纹波。在本系统设计中使用四倍压整流电路，其电路上电容还起到滤波的作用，因此兼具整流和滤波的作用。

针对直流升压电路，系统设计中选择ME2111稳压芯片，它是一款高效率同步整流升压DC/DC转换器，只需要三个外围器件（两个电容，一个电感）。它的启动电压低，0.95V以上就可以工作，效率达到94%。

将电流进行整流滤波、升压后需要将电能储存起来即能量储存模块。本产品采用HM4601芯片作为主控芯片，HM4601通过恒压控制环和恒流控制环来调整锂电池充电电压和恒流充电电流，同时还集成了温度保护、最大充电时间限制、输出短路功能。

1.6 控温部分

控温装置是针对于发热层产生的热量进行调整控制的装置，也是该款取暖器的重点设计之一。

通过发电、稳电集电部分的电流作用于发热层，使其达到一定的温度可供人们取暖，但是此时的温度并不是最适合人体的舒适温度，并且不在可控范围内的温度也会对人体造成伤害，例如低温烫伤等。为解决这类问题，本产品在设计时内置控温装置，通过调节温度控制器来控制上下限温度，当发热材料表面任意一点温度达到上限温度60℃时，温度探头感应到信号将其反馈给温控器，温控器减小输出电流，从而使温度下降;当温度下降到下限温度40℃时，温度探头反馈信号给温控器使其增大电流，从而使温度升高。通过这种信号反馈调节输出电流来实现温度的控制。

由于人体长时间接触高于体温的温度会产生低温烫伤的情况，所以我们采用耐热层树脂包裹发热层线芯，在便携式取暖器的最外层，也会采用绒布隔开皮肤和发热部分，避免低温烫伤。

2 结束语

目前市场上的取暖器主要有两种，其一是利用电能加热液体的取暖包，二是利用矿物质发热的一次性取暖包。但这两种取暖包使用的舒适度低，便利性差，已经不能满足消费者的需求。而本次我们设计的这款自发电可控温便携式取暖器利用压电陶瓷的正压电效应产生电能，实现了无源供电功能，内置的控温装置对发热温度进还避免了当前普通取暖包会产生灼热感和低温烫伤等问题。此外本产品的设计采用了压电陶瓷这一清洁能源，绿色环保，符合节能减排的理念，也积极地响应了国家低碳环保的号召。

参考文献

[1] 黄晓梅，季涛，余进.碳纤维电热发热布的设计与开发[J].产业用纺织品，2009（6）：2-6.

[2] 陈立.基于压电陶瓷的鞋底发电与充电电路的设计[J].科技风，2015（24）：2-6.

[3] 刘晓明，黄翀阳.压电陶瓷自发电平台设计与能效分析[J].沈阳工业大学学报，2015（6）：1-4.

[4] 曾晓蕾.自控温发热高分子复合材料的开发应用[J].橡塑技术与装备（塑料），2017（2）：1-3.

[5] 晏雄，张慧萍，住田雅夫.应用压电陶瓷的减振复合材料研究[J].中国纺织大学学报，2000.26（2）：1-2.