冬暖夏凉婴儿床设计方案.doc

冬暖夏凉婴儿床

设

计

方

案

一、作品设计背景
每个孩子都是父母的心头肉，孩子的健康牵动着每一个家长的心，而睡眠的质量直接影响到孩子的健康。鉴于目前气候温度的不协调性，尤其是冬夏温度的巨差，成为了婴儿健康成长，正常发育的严重阻碍，因而在炎热的夏天和寒冷的冬天为婴儿准备一个能持久提供适宜温度的婴儿床成为了每个父母的愿望。对此，我们小组成员经过反复思考，大量的查找资料，设计出了能符合上述冬暖夏凉要求的婴儿床。

二、作品设计的目的
设计出适合婴儿正常发育，健康成长的床，让孩子睡得舒心，爸爸妈妈放心。令每个家庭都充满欢声笑语，令我们的社会更加和谐美好！
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三．作品系统的总设计原理
床身顶部的一侧有一个进水孔，底部的另一侧有一个出水孔。通过单刀双掷开关的控制，使加热区域温度维持在设定的温度范围内；冬天时，充入一定量的水，通电加热水温，将开关接在PTC热敏电阻处，利用 PTC热敏电阻对温度进行控制，使水温保持在一个合适的温度；夏天时，温度升高了，将开关接在PN节结处，则通过半导体制冷器降低水温使水温处在合适的温度。这样便达到了冬暖夏凉的目的，为婴儿提供了一个舒适的成长环境。工作原理大致电路图如下：

半导体PN结回路原理
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。P型半导体元件和N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在接头处，电流方向是从N至P，将N端的热能搬运到P端，温度下降并且吸热，这就使水温下降。

（一）冬天恒温原理
主要利用PTC恒温加热原理；选择恒温加热PTC热敏电阻作为材料，主要电路连接为串联连接。
将PTC热敏电阻串联在电路中，通入12V的直流电后使热敏电阻发热来加热水温，当水温达到22°~26°（婴儿最适宜的温度），PTC热敏电阻阻值急剧上升，电路相当于开路，停止对水加温。当水温降低低于所设定的温度后，PTC热敏电阻阻值恢复，电路自动通路，PTC热敏电阻继续加热水温使水温达到合适的温度。这样通过无限循环使温度控制在一个恒定的温度范围内，因此可以婴儿生存在一个恒定的温度下。大致控制环节如图1所示：

（二）夏天降温原理
主要利用的是半导体的制冷原理。
将半导体材料制成的PN结回路与PTC热敏电阻并联，冬天断开PN结回路，夏天则断开PTC热敏电阻接通PN结回路。在PN结接触面上有热电能量转换的特性，应用帕尔贴效应能量在材料交界处以热得形式吸收或者放出，从热端到冷端的传导热为：

K为半导体制冷器导热率，，为半导体制冷器热端和冷端的温度。
系统总体方案系统结构设计控制系统采用闭环控制系统。温度传感器采集水的温度，温度传感器通过采集的温度和需要设定的温度进行对比，控制温度调节器对水进行调节，使水温处在一个合适的温度范围内。类似的温度控制系统结构如图2

四．所用重要材料的相关叙述
（一）PTC材料
PTC是Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件.通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻,简称PTC热敏电阻.
PTC其实就是陶瓷的一种。主要成分就是钛酸铅，利用烧制过程中造成的内部缺陷，在通电的时候电阻值会随温度改变，从而使其具有在不恒定电压下具有相对恒定温度。或者换个说法就是PTC的电阻会随着电压的变化而变化。因为此特性，PTC被广泛应用。比如冬天用的一部分烘手机，部分空调里的发热器，以及某些电子元器件上使用的限流电子元件也是由PTC制作的。
PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻,超过一定的温度(居里温度)时, 它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高.现有的加热器大都采用电热管、电热丝等传统器件加热，电热管的外壳为不锈钢制成的钢管，内有发热元件电阻丝，加热时通过电阻丝及钢管向外界传热，当空气不流动时，电热管的热量就散不出去，温度会越来越高，严重时会烧毁电热管，甚至发生火灾。而PTC热敏电阻作为发热材料，具有节能恒温、无明火、安全性好、发热量较易调节、受电源电压的波动影响小、升温迅速等特点，因此，设计使用PTC热敏电阻做加热材料的恒温加热系统对安全度要求较高的应用是很有意义的。

（二）半导体制冷片
半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热水泵，他的优点是有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体空调没有制冷剂，不会泄露，不怕震动，不怕倾斜，不怕颠倒；运转无机械运动，不会磨损；体积小，可靠性高。且半导体空调冷热调节范围广，冷热交换快。大温差环境，即使外界环境高达60摄氏度，散冷器表面的温度依旧可以保持在22-25度。
半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理。
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（本作品中也可选着半导体加热，但主要是利用PTC恒温加热材料），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

冬暖夏凉婴儿床的实体图

1— 皮带轮轴，一端装有皮带轮，另一端装涡轮叶片。
3—为引水槽，将水在涡轮叶片的作用下由1向2引导。
2—靠3的那一端用导热能力好的材料制作，有一定的硬度，与水接触，另一面涂有硅胶同时与半导体制冷片的P端或N端接触，将PTC片上的热量传递给3中的水将水加热或者将水中的热量传递到半导体制冷片上使水温降低。
涡轮叶片工作原理：
在图号为1的轴上面安装一个涡轮叶片，是为了在制冷和加热的过程中将水由3槽推向2，在2处加热或者制冷后往两边循环回到1处，起均匀混合冷热水的作用，同时也在冬天的时候使3中靠1端的水温略高于靠2端的水温，从而满足人体睡觉时上肢温度低于下肢温度的条件。