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创新设计


生命不息,创造不止
机制一班 刘兆国

生命不息,创新不止

新型家居温控 墙系统
要说到这个创意,不得不说一下 一个很有意思的东西,也是这个 创新的核心部件所在——半导体 制冷片

半导体制冷片
制冷片也叫热电半导体制冷组件, 帕尔贴等。因为制冷片分为两面,一 面吸热,一面散热,只是

起到导热作 用,本身不会产生冷,所以又叫致冷 片,或者说应该是叫制冷片。 它的理论来源是珀尔帖效应,珀尔 帖效应的论述很简单——当电流通过 热电偶时,其中一个结点散发热而另 一个结点吸收热,这个现象由法国物 理学家Jean Peltier在1834年发现。

半导体制冷片
半导体制冷片作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点:
1、 不需要任何制冷剂,可连续工作,没有污染源没有旋转部件,不会产生回转效应,没有滑动部件是一种固 体片件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。 2、 半导体制冷片具有两种功能,既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高,但制热效率很高,永远大于1。 因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。 3、 半导体制冷片是电流换能型片件,通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控制,再加上温度检测和控 制手段,很容易实现遥控、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。 4、 半导体制冷片热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟, 制冷片就能达到最大温差。 5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电,半导体制冷片一般适用于中低温区发电。 6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小,但组合成电堆,用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷 系统的话,功率就可以做的很大,因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。 7、 半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

半导体制冷片
? Only a limited amount of heat flux is able to be dissipated 只能实现很少量热量的散热。 ? Relegated to applications with low heat flux 只能应用于热量很小的情况 ? Not as efficient, in terms of coefficient of performance, as vapor-compression systems (see below) 效率不高,从COP能效比的角度看,效率比蒸汽压缩循环要低,见下文。 ? 蒸汽压缩循环的效率通常能达到半导体制冷(术语叫做热电制冷效应)的4倍以上。关键 的缺陷是在于热电制冷自身会产生很大的热量,这就需要不断的散热来解决,如果制冷 需求比较大,例如达到一个房间几千瓦的要求,产生的额外热量是很难解决的。效率低 也是因为这个原因,由于用的是半导体,所以电阻很大,很大一部分能量都用来加热自 己了。

新型家居温控墙系统
在整各家居环境中,需要有温度控制,显然传统方法 是压缩式空调,或者北方的暖气系统;同时还要有各 种生或所需要的热水及冷水,传统的方法是使用电热 水器或者燃气热水器。这在家庭所需要的能源占了很 大的比重。 所以,在我的设计中是这样的,我把半导体制冷片最 难解决的散热问题,当做家居环境里不可缺少的加热 热源,然后通过泵机让水流流动起来,带走大量的热 量的,以供生活中使用,同时为制冷片的持续工作做 了稳定的条件。

散热片

制冷片

新型家居温控墙系统
? 为何我给它命名温控墙,那就是它可以足够薄, 装在墙上,会变成一面墙,几乎不占空间。 ? 它的功率可以根据要求设计,每一片制冷片的功 率在60W左右,制冷量约为0.8(水冷条件下), 制热量非常强劲,远远大于1。 ? 中间的芯板采用隔热的材料制成,能最大程度保 证能源传递。 ? 系统采用并联结构,能最大程度把制冷片的利用 率发挥出来。 ? 最重要的一点是,制冷片本身的特性,电源反接 会让它冷热极面互换,这也就意味着它不仅仅可 以是冷空调,同时可以变成热空调,无论冬天夏 天有这样一个就够了。

芯板

新型家居温控墙系统
? 在散热片之间我设计了一种U型 接头通过这个实现散热片之间 的联通,以及液体的流动。 ? 同时考虑到制冷的功率问题, 以及单位时间内温度的传递速 度,我设计了不同的介质来实 现流动,加热面为散热片中为 水,制冷面为空气 ? 同时散热片与半导体制冷片之 间使用导热硅脂,利于内能的 转移。

新型家居温控墙系统
? 制冷面空气通过气泵从散热片上口 进入,下口流出,制热面水通过水 泵从下口进入,上口流出。 ? 经过循环之后的冷气夏天时用于房 间内制冷,循环出的热水,可以做 为厨房卫生间等所需热水

新型家居温控墙系统
? 从节能和环保的角度,我考虑过将太阳能 做为其的一个重要能量来源,同时使用电 源,白天使用太阳能,晚上使用电能。 ? 通过矩阵式的叠加,可以把它做成一个冷 源热源一体的中央空调箱,通过冷风系统 ,使房间内都能保持温度横定,通过热水 系统,可以向整个建筑物提供所需要的热 水。 ? 而且,最近南方因为冬天的到来,很多人提出要开始 供暖,或者小范围内进行供暖,我想这个制热能力出 众的东西,假如说能过做出来,能解决很多人家冬日 热水,暖气片、暖风的需求,同时又能减少供热厂燃 烧化石燃料的产生的污染。

单兵飞行器
? 人类一直都没有放弃过对单兵飞行器的研究,007影片中首 先出现了单兵飞行器,但是它的便利飞行是制作出来的特技 ,实际上拍摄用的单兵飞行器只能飞30秒钟。显然,这么短 的飞行时间是没有多少实际用途的。最近,美国国家航空航 天局发布新闻说,他们对型号为XFV的单兵 飞行器进行了成 功的风洞测试。测试结果表明,这种型号的单兵飞行器可携 带45升汽油,能以时速130公里的速度飞行250公里左右,飞 行高度可达2.4公里。 ? 单兵飞行器将首先应用于未来的战场,成为单兵飞行系统中 的一部分,飞行系统将包括单兵飞行器、单兵武器、数字化 头盔和一部微型计算机。这种特殊的飞行装置要求噪音很低 ,不易被敌方发现。单兵飞行器的操作也相当便利,士兵只 需左手操纵油门,右手操纵操纵柄,就可以飞行了。使用这 种飞行装置可执行侦察、城市巷战、特种突击和搜救行动等 诸多任务。

单兵飞行器
单人(兵)飞行器由微型喷气发动机和操纵系统组成。发 动机产生的推力足以使单人升空;操纵系统用以保持平衡 和改变飞行状态。整个装置由单人携带(多装在背部), 可以完成上升、下降、悬停和平飞等动作。由于重量和体 积的限制,单人飞行器所带的燃料由锂离子电池提供动力 ,仅能供发动机工作数十秒钟,飞行距离和留空时间都很 短,可用于单兵飞越障碍物,如河流、布雷区等。单人飞 行器还处于研究试验阶段。

单人飞行器的出现有很重要的现实意义:陆路交通的压力 是人所共知的,特别是在北京,堵车是家常便饭,要解决 这些问题有点难,所以,我们希望通过研发一些单人飞行 的空气动力飞行器,来解决这些难题,当然听来有点难以 实现,或者你还会笑我们是不是:痴人说梦?但是请你相 信科学是永无止境的,就是我们不去研究也有人会去研究 ,可能成功的不是你不是我,是他!

单兵飞行器
国际上几种比较成熟的机器

单兵飞行器
我的设计,是和他们不太一样,我的观念 里,我觉得对一个士兵来说,最重要的部 位不外乎就是手,各种枪械、武器、通讯 设备的使用,离不开手,假如说,单兵飞 行器束缚了士兵的手,那么在空中,一旦 被敌人发现,但是却无法反击,那就可以 想象后果有多么的惨重。 所以我的设计解放了士兵的双手,同时又 满足士兵飞离地面作战的要求。

单兵飞行器
原理:由叶片转动,中心空气受到离心力 作用,向四周密集,经过壳壁的反射,向 下方排除,对飞行器有向上的作用力。同 时由于中心空气离心后,形成气压真空区 ,通过蜗旋进气孔,吸入空气,造成飞行 器上表面气压低于下表面,产生浮力。

单兵飞行器
结构优点:发动机位于中心部 位下方,人体站位同样处于中 心轴线上,而且飞行器下方气 流喷射方向向下,成圆周形喷 射,整个综合下来,使得该飞 行器的重心十分稳定,对于操 作者来说,安全系数相对较高 。

单兵飞行器
? 根据目前的动力情况,所以单兵飞行器 决定采用汽油机,不仅重量轻,便于补 给,而且汽油机的技术比较成熟。 ? 关于载重的问题,我设计的每个飞行器 的浮力在100-150KG的范围内,刚好能 满足普通战士携带武器装备使用。 目前面对的问题:浮力的计算、飞行器 半径的计算、空气动力学的仿真、紊乱 气流下的姿态表现以及制造的难度。

吸入式无尘粉笔擦
粉尘的危害:教师常需在黑板上书写、绘图进行讲 解。在45~50分钟的一节课里,就要擦写数次,下 课时,往往在手上、袖子上,甚至头发、肩膀上都 留下一层白色粉笔灰。天天如此,年复一年,工作 20~30年后,消磨了数以万计的粉笔。不可避免地 从鼻孔吸入一些粉笔灰。

吸入式无尘粉笔擦
我设计的灵感来自于一款吸尘器,它 和传统的吸尘器的结构不一样,它是 通过螺旋滚刷的旋转带来的吸力,把 灰尘纸屑吸入内置的废物盒中。

吸入式无尘粉笔擦
我的设计,重点在于把螺旋滚刷改变 成螺旋弹力叶片,同时在一个粉笔擦 大小的空间内布局,又能产生很大功 率的吸力。 整个装置采用锂电池供电,考虑加 入现在比较成熟的无线充电技术。

吸入式无尘粉笔擦
实现方式二:采用螺 旋叶片,高速旋转产 生的大吸力,通过底 部孔槽将粉笔尘吸入 中心可拆卸储粉盒

粉尘进入储粉 槽的通道

吸入式无尘粉笔擦
螺旋叶片

进气端

密封端

吸入式无尘粉笔擦
俯视内部气流管道及动力设备安 装位置图 气 流 管 道

底部气孔分布图

电机 齿轮 连接


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