钟子健　陈锐　王苗亦

摘 要：利用热电元件，研制了一款具有温度可调节以及模块化可拼接的多功能垫。在研制过程中，结合热场模拟仿真分析，从隔热、导热、散热等方面进行材料选取和结构设计，实现了控温功能;结合实际使用情景，对模块间的机械和电路连接进行设计，实现了模块化拼接功能。运用3D打印技术完成了该坐垫的整体设计和样品制作，并测量了温度随工作电流电压以及时间的变化关系，结果表明该坐垫具备良好的使用特性。

关键词：热电转换;多功能坐垫;模块化;强制对流;温度分布

中图分类号：TS959文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）07-0056-03

Abstract： With the thermoelectric original，we developed a multifunction mat whose temperature can be adjusted and models can be jointed. In the development process， we chose the proper material and design the proper structure，and then reached the function of controlling the temperature. According to the use situation， we designed the mechanical and electrical coupler， and then realized the modularized joint. We used 3D printing technology to complete the overall design and sample production of the cushion， and measured the temperature change with the working current， voltage and time. The results show that the cushion has good use characteristics.

Keywords： the transition between heat and electricity;multifunctional cushion ;modularized;forced convection;temperature division

當前，人们对生活质量的要求越来越高，对生活用具的舒适度与实用性也不断提升。作为控温电器，空调已较为普及，但亦存在体积较大、不易携带、耗电量大等缺点。由此，本文设计了一款既可主动调节温度、能耗低，又易携带、具有多种功能的垫子。

1 总体研究思路

热电材料能实现电能和热能之间相互转换。当电流流过由两种不同金属材料形成的闭合回路时，两种不同金属间的接触点会产生吸热和放热现象，且改变电流方向时，吸热和放热的接触点位置会发生变换。据此可制成热电器件。相对于传统的压缩机，半导体热电器件是在固体材料中传导电子，没有机械运动部分，具有体积小、结构紧凑、灵敏度高、无噪声、寿命长、维护费用低等明显优势[1-2]，可以方便地实现制冷制热转换，非常适用于所设想垫子的功能和使用环境。

2 产品设计

2.1 热电材料选取

通过查阅文献，选取室温附近性能最佳的热电转换材料，即碲化铋基合金。碲化铋基热电材料被研究的最早，应用也最为成熟，是目前室温范围内应用最多的热电材料[3]。

2.2 热电元件安放设计

由于垫子本身只有300 mm×300 mm大小，暂定使用4块热电元件，规格为30 mm×30 mm。综合考虑热量的分布与传递，设计出如下两种方案。方案一：4块热电元件分布于半径为[1/4L]的两两相切的圆心，分别位于中心和各顶点连线的中点处;方案二：4块热电元件分布在九宫格的直线相交处。采用多物理场耦合模拟软件Comsol对两种设计进行了模拟分析。结果表明，方案一的温度分布更均匀，更符合要求。

2.3 隔热材料选取

热电器件在工作时，自身也会放出大量热量，若没有良好的隔热，将会在运行过程中发生冷热混合，从而无法高效制冷（制热）。

经了解，导热系数不高于0.15 W/（m·K）的材料可以用于隔热。珍珠棉材料轻薄，柔软性好，但抗拉性差。石棉、亚麻布、皮棉、纳米气凝胶复合绝热毡易得，初步在考虑范围之内。经过综合比较，纳米气凝胶复合绝热毡的导热系数更低[0.04 W/（m·K）]、隔热系数更好，所以最终选其作为隔热材料。

2.4 导热、散热材料的选取和布置

由于热电器件的位置处于垫子中部，为了实现快速有效的温度调节，必须要设置一系列能够快速导热的结构。查阅资料得知，热管具有极高的热传导率，广泛运用于能源、化工、航空航天、电子元件散热等领域[4]。因此，选择热管和散热翅作为导热方式，并实现制冷工况下热端的强制散热。

为实现温度均匀分布，设计如下方案：各个热电元件周围安放向外延伸至热翅处的热管，隔热材料上部的热翅负责改变进入气体的温度，下部的热翅负责散热。这不仅能使温度分布更加均匀，也能起到良好的冷热分离效果，有利于垫子长时间持续使用。而在该导热方式中，不必使用4块热电元件即可达到使温度大致均匀分布的效果，而2块热电元件也足以提供适度的温差，因此，将热电元件的数量调整到2块，并设计了如下导热方案。

在隔热材料下部采取用热管将冷（热）量传导至4组铝制散热翅处，并以铝制散热器作为空气的进气管道。外界空气通过进气管道降温后，再用风扇吹出。而单一的4个出风口显然不能使温度尽可能均匀地分布，于是作者设计了一个位于垫子中部的、带有支撑脚和透气孔的中空层（见图1），使空气能在其中均匀自由地向四周扩散，再向上吹出，从而实现均匀导冷（热）。在宁波材料所的帮助下，使用3D打印技术，制作了结构符合要求的中空层。

2.5 模块化连接

机械连接使用拉链，垫子需要水平旋转90°使得拉链上下铆合。考虑到垫子在模块化拼接时必须有一定的机械可靠性，不易改变整体形状，同时拉链不容易与人体接触，作者决定将拉链设置在垫子底部。

电路结构设计成中心对称结构，并在两个相对的角设置USB接口，以便根据具体使用情况随时连接其他模块，也可起到连接控制元件的作用。

3 成品实测效果

安装热电元件、热管和散热翅，完成了实物制作。之后，对其实际使用效果进行实测，对成品工作功率和实际使用情况进行评估。由于产品本身工作时必定会产生焦耳热，且产品主要应用场景在夏天，因而，在实验中，作者以难度较大的制冷为例。

3.1 实验一：不同工作电压下的功率

由于实验在冬天进行，因此，用制热设备模拟夏天30℃高温的工作环境，用多用电表测定其电压、电流，通过计算得到各组功率数据，结果如表1所示。

由表1可以看出，与常用的电热毯（功率一般为80～120 W）、空调等相比，该成品的功率非常低，能使用移动电源长时间供电（按6 V工作电压，一般移动电源20 000 mAh计算，大约可以使用11 h），方便携带和使用。

3.2 实验二：一定工作电压下坐垫上下层温度随时间变化情况

为观察产品在长时间运行时能否有效散热，保证热电元件正常工作，作者测定了6 V工作电压上层温度与底部散热温度随时间变化的关系（实验所测为风扇吹出的空气温度），得出的实验数据如图2所示。

从图2可以看出，在接近30 ℃的环境中，该成品开始时温度变化较快，到后期温度趋于稳定。散热翅的温度变化并不明显且逐渐趋于平缓，足以支持热电元件长时間工作。

由此可初步得出实验结论：在可控范围内，该成品能长时间稳定工作。

3.3 实验三：不同工作电压下的稳定温度情况及所需时间

为了实现可调节的温度控制，必须要了解各工作电流下产品能达到的稳定温度及所需时间，因此，设计了测定几种工作电压下产品所能达到的稳定温度及所需时间，结果如图3所示。

通过上述三个实验可得出，在三组测试中，温度均能快速达到稳定状态，12 V和9 V的工作电压下，稳定温度与30 ℃环境温度有4～6 ℃的温差，而6 V达到的稳定温度最为理想，能与环境温度产生8～10 ℃的温差。这主要是因为6 V情况下电流较小，整个装置发热量较小，热面产生的热量能被快速导走，最大程度避免冷热混合，保证热电元件的高效工作。此外，通过查阅资料得知，热电元件两面温差并不完全和电流大小成正相关，超过一定阈值后，随着电流继续增加，温差逐渐减小，直至温差反转，即冷端的温度高于热端温度[5-6]，这也很好地解释了测得的实验结果。从现阶段的成果中可以发现，在6 V的工作电压下，该成品能完成约10 ℃的温差控制;而且，6 V电压也能在移动电源电量有限的情况下更长时间地续航工作。

由此可初步得出结论：该成品控温范围适当，降温时间短，相比空调等设备，还具有携带方便，可用移动电源供电的特点，具有较强的实用性和优越性。

4 总结与展望

4.1 产品亮点及创新性

①在本次研究中，作者基于碲化铋基合金热电材料，综合利用热场可视化模拟分析、三维建模、3D打印技术等，从导热、隔热、散热三方面的材料和结构着手，设计并制作了一款可冷热变换的模块化多功能垫，为满足个性化需求提供了全新的选择。

②与传统坐垫相比，该坐垫实现了主动温度控制和模块化两大功能。不但能冷热双向控温，还能为使用者提供长时间的良好体验，通过拼接改变面积，还可以作为床垫、地席，实现多人共享，大面积持续制冷、制热。

③与使用压缩机的空调等传统控温设备相比，该坐垫能实现电能和热能的直接转换，具有能耗小、无噪声、制冷制热快的特点，可用移动电源供电，只需要一个充电宝，就能针对不同季节进行个性化温度调节。

4.2 产品改进及展望

未来若继续改进，将着重解决以下几个问题：厚度、柔性、温控调节和成本。

①厚度和柔性问题。在这两点上，主要从导热散热角度考虑，尝试用更轻薄柔软的管道代替现有的导气中空层，在保证散热的前提下调整散热方式;或者调整整体布局，优化垫子空间运用。

②温控问题。控制元件可以由显示屏、充电电池和按键组成。

③成本问题。可以从选材、结构、制作工艺等方面进行优化，更大程度上发挥模块化多用途所带来的成本优势。

总之，我们非常期待能进一步改进产品，提升其性能，从而改善人们的使用体验，甚至使其得到商业化的机会，填补市场空缺，引领消费潮流。

参考文献：

[1]胡安徽，杨君友，鲍思前，等.Skutterudite热电材料的最新研究进展[J].材料导报，2007（1）：37-39.

[2]潘海俊，阮萍，李福，等.热电制冷器制冷工作电流特性分析[J].红外与激光工程，2011（6）：1006-1010.

[3]王杰，王茜.热管科学及吸液芯研究进展回顾与展望[J].化工进展，2015（4）：891-901.

[4]牛厂磊，唐显，李鑫.碲化铋热电材料研究进展评述[J].中国陶瓷，2019（1）：1-4，9.

[5]孙伟.碲化铋及热电材料薄膜制备与性能分析及其器件设计[D].天津：天津工业大学，2017.

[6]胡浩茫，葛天舒，代彦军，等.热电制冷技术最新进展：从材料到应用[J].制冷技术，2016（5）：42-52.