1、 1 毕业设计文献综述 工业设计 鞋底暖脚器设计 一、前言 寒从脚下起，病由寒处生。冬天寒冷，在没有暖气或空调的房间里经常会感觉到脚冷，尤其是在工作、学习或坐着看电视时。特别是高中生，学业负担重，不管天有多冷都要雷打不动的起床上课。课余时间少 ,锻炼身体的时间也少，久坐必然会脚冷。在中国有空调的教室不多，那么有一款暖脚器是很有必要的了。 暖脚器，是一种用于人体脚、腿部位按摩保健和防冷御寒的日用电子保健装置；它主要由 PTC 发热元件、散热板相互配置连接组成。应用该装置，能产生对人体脚足部位进行按摩保健、加热、保温、理疗 、促进血液循环、改善关节炎症状的多种功能和良好效果。 现在市场上流行的暖脚
2、器大概有电热暖脚器、 USB 暖脚器这两种。这两种暖脚器虽然都可以给脚提供温暖保暖措施，但是它们都需要外部电源进行供电。前者是将热量储存起来然后慢慢释放出来，以达到保温效果；后者是一直需要外部电源提供能量，使得温度保持在 40左右。“绿色环保节能低碳”是现在生活的主旋律，我们设计的产品不仅要能满足他的功能要求更要考虑到能源、环保等方面的因素。所以我的研究是要设计一款新型节能暖脚器。 二、主题 （一） 暖脚器市场分析 1. 暖脚器 的发展 解放前，大多数农家都有火盆 （见图 1-1） ，是冬日取暖不可缺少的器物。旧时，物质文明落后，加之农民生活素来清苦，冬日无防寒设备，就用火盆取暖。 随着中国市
3、场经济的形成， “ 优图 1-1 火盆 2 生优育 ” 国策的落实，农村人口的城镇化，使得中国的家庭结构日趋小型化，人们的住房条件发生了质的变化，居室装修很普遍。在冬季，用煤火取暖形成的室内污染，人们已无法接受 1。科技的发展提高了人们的生活水平，工业设计的发展和电脑辅助设计加快了时代的步伐 2。渐渐地暖脚器也出现了多种多样。通过改变正常的思维方式，站在客户角度换位思考，设计要符合需 要 3。 2暖脚器的种类 现在市场上流行的暖脚器有各式各样的，但总结下基本有以下两类：电热暖脚器、USB 暖脚器。 （ 1） 电热暖脚器 电热暖脚器 （见图 1-2） ，它由 金属 壳体、底座、电热元件和装饰外罩
4、构成。壳体放置在底座上，壳体侧面设有电器元件盒，盒内装有电源插孔、温控元件和指示灯。电热元件采用电 热管 ，环置在壳 体内 ，电热管的两个 电极 置入元件盒内，作为电源插头的电极柱。壳内及电热元件的周围填注 石蜡 储热 保温 。也可在壳体底面增加一网孔板，并在板与壳体底面之间的端头固定一个微型风机， 这种 暖脚器则为冬暖夏凉的暖凉脚器 4。 此种暖脚器是将热量先储存起来，然后热量慢慢释放出来，已达到保温效果，热量有个衰减的过程。 （ 2） USB 暖脚器 USB 暖脚器（见图 1-3） 采用远红外碳纤维发热，利用电能，以半导体碳 基材料为发热体，将电能转换为以远红外线为主的热能，远红外发热体所
5、产生的5m15m 的远红外辐射线（这种波长的远红外线是人体及一切生物所必需的），更容易对人们的皮肤和细胞组织产生共振，能渗透到皮肤及皮下组织深处，从而产生温热效应，改善血液循环，扩张毛血管，排除微循环障碍，长期使用，能起到活血、通络、促进新陈代谢，使脚部皮肤细腻、延缓衰老 。 USB 暖脚器需要通过 USB 连接 ，需要外部电源一直提供能量，使得鞋子内的温度保持在 40左右，高于人体温 3左右。 3 （二）鞋子发电 在物理课上我们学 过 能量 既 不能产生也不能消失，能量转换是指从一种形式转化为另一种形式或是从一个物体转移到另一个物体 ， 除了宇宙大爆炸可以使能量消失5。 人在走路时，腿就会因
6、抬起而具有对地面的重力势能，那么怎样利用这些能量呢？下面是已有的一些研究成果： 1 . 新概念绿色发电环保鞋设计 通过社会需求调查与科学实验设计了绿色发电环保鞋 ， 旨在挖掘生产生活中的潜在能源，节约资源，方便人们在户外活动时（尤其在电源网络遭受破坏的灾区环境）的夜间照明、搜寻定位和对小功率用电器（手机、 MP3、 MP4、 iPod 音乐播放器等）的实时充电。本装置 主要由压力发电模块、倍压模块、整流稳压模块，电能储蓄模块、电能传输模块、照明模块、充电模块、信号发射与接收模块、电压绝缘模块和重力缓冲模块组成。利用人行走过程中脚部上下位移的变化使线圈切割磁感线将重力做功转化为电能，实现夜间照明
7、和对小功率用电器的充电。也可通过信号发射与接收装置，对被困人员进行搜救。该装置绝缘模块保护人体不受电压影响，缓冲气垫置于鞋底，让人们在活动时更加舒适、安全、便捷。 当人们行走或者跑步时，作用于地面的挤压力和反作用力会对鞋底产生上下起伏的位移，利用这种上下起伏的位移，带动永磁铁上下移动 ，使固定线圈内的软磁体不断改变磁极而达到切割线圈以产生电能的压力发电器。装配上倍压模块、整流滤波模块、可充电电池、发光元件、开关、小型插口，然后安装在鞋子上做成绿色发电环保图 1-2 电热暖脚器 图 1-3 USB 暖脚器 4 鞋。再在鞋子里安装上信号发射装置，当人们遇到地震、洪涝等灾害时，便可即时发出求救信号，
8、以便搜救人员进行搜救。只要人们在行走，便有电能产生。若每天步行5 公里，则在这一周左右的时间里，所产生的电能便能够充满一块容量为 1050mAh的手机电池。鞋内磁力缓冲装置，让人在活动中更加舒适 612。 2 会发电的鞋子 发条收音机的发明者特雷沃尔 贝利斯想出了对行走时产生的能量加以利用的办法。他最新发明的装置将被放置在鞋子内，当使用者行走时，它能为移动电话或掌上电脑提供电力。他已在专利局为这种装置进行了专利注册。这一发明在发展中国家有 着巨大的应用潜力，这意味着如果制造商采纳这种技术，在今后年里贝利斯将能获得大笔收入。发展中国家的移动电话市场一直由于电力供应的问题而受到制约。该装置对环境无
9、害的特性也可能使它得到推广。像往常一样，贝利斯是在睡梦中获得这个创意的。他说： “一天早晨我醒来时，我脑子里得出了基本的构想。不过发明是的灵感加的汗水。一 直到实用产品推向市场时，这个过程才算结束。 ”贝利斯请来 创新技术事务所的约翰 蒙蒂思和巴里 詹姆斯帮忙，两人都是经验丰富的专利发明人。 经过 个晚上的攻关之后，人研究出了使这一设想切实可行的方法。 最终他们注册了两项专利。第一个办法是采用压电装置。石英类材料在弯曲或受压时会释放电力，把它们一层层叠起来，它们在受到脚的踏压时能产生足以给电池充电的电压和电流。 第二个办法是采用安装在鞋子内的螺旋状线圈系统，它驱使液体以很高的压力流向一个发电结
10、构，从而产生电力。从鞋子里拉出的电线可以顺裤腿直接与移动 电话机相连。该技术还可以用来为掌上电脑提供电力。 企业界的最初反应是积极的。诺基亚公司发言人上周说： “ 我对此感到很惊讶。如果它可行的话，这听起来很不错。 ” 苹果计算机公司也对此表示了热情。该公司发言人说： “ 我们喜欢别出心裁，使我们的产品能够在异常环境中使用的技术都会受到欢迎 13。 ” 5 （三）能量收集 1压电效应 压电效应（见图 1-4），是某些特殊的材料中 机械能 与 电能 相互转化的现象。根据转化方向的不同，压电效应可以分为 正压电效应 和 逆压电效应 两种。 某些电介 质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会
11、产生 极化 现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为 电致伸缩现象 14。 2 节能 :助推能量采集 众多低功率工业传感器和控制器正在寻求以非传统能源作为主要或补充性供电源。利用现成的物理电源 (例如，热电发生器或热电堆、压电或机电装置和光伏器件 )来产生电力的换能器正在成为许多应用的适配电源。通过仅使用收集到的能量，众多无线传感器、远程监视器和其他低功
12、率应用正在稳步成为接近 “ 零 ” 功率的设备 (常被有些人称为 “ 微功率 ”) 。 尽管自 2000 年初， 能量采集就出现了，但是最近的技术发展已经推动其达到了可商业应用的程度。简言之， 2010 年， 我们为能量采集的 “ 增长 ” 阶段做好了准备。利用能量采集技术开发的自动化传感器应用已在欧洲出现，这表明增长阶段也许已经图 1-4 压电效应 6 开始。得到商业上的接受 尽管能量采集的概念已经出现很多年，但是在真实环境中的系统部署一直很缓慢，原因是复杂度高和成本昂贵。尽管如此，仍然有一些市场采用了能量采集系统，包括了交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测以及楼宇自动化。就楼宇自动
13、化而言，有了人体感应传感器、恒温器和光开关等，系统就用不着通常需 要的电源或控制线路，而是使用能量采集系统了 15。 3 道路减速带发电 道路减速带发电装置，包括减速带、弹簧、马达、发电机和蓄电池。所述弹簧设置于减速带正下方，并且该减速带与马达连接，所述马达与发电机相连接，所述发电机又与蓄电池连接，所述蓄电池再与地面路灯相连接。当车辆经过减速带时，该减速带被挤压而下沉，导致对马达做功，从而带动发电机发电，电能又通过蓄电池储存起来，晚上可以为小区的路灯供电照明。而且，减速带的下沉，还减小了车辆的颠簸，既使乘客舒服又能够不损坏车身装备；减速带下方设置的弹簧可以帮助减速带恢 复到地面。 这种设计很巧
14、妙，它利用了车辆对减速带的压力，把这种“破环力”通过设计变成了“有利力”。这种方式值得我们去借鉴。 三、总结 （一）现有的暖脚器设计的优点 根据研究发现 目前市场上所销售的暖脚器 的优点有以下几点： 第一：起热快。因为是外部电源提供电量所以会 让你的双脚马上就会感到温暖 ; 第二： 新颖时尚，款式多样 。发热装置在鞋底，鞋面就可以有很多不同的设计，卡通的，时尚的可以根据不同的人群进行设计。 （二）暖脚器设计存在的问题 虽然已有的暖脚器有很多优点但是也存在 有很多的缺点和不足 ： 第一：使用不便。 一般都要依靠外部电源来供电。使用场所受到限制； 第二：操作麻烦 。过程需要多个步骤； 第三： 不够
15、低碳环保。需要外部电源供电； 第四： 保健功能有待改进。只是单纯的让脚暖和起来了，个体没有参与健身过程； 7 第五：不够安全。直接接触电源，安全性有待改进。 （三）暖脚器设计的发展趋势 “低碳环保生活 ”(low-carbonlife)的呼声越来越高，如何更好的利用能源已经成为我们关注的重要内容，暖脚器的设计也是一样，要突破常规改变能量来源方式。未来的暖脚器会更环保，在操作方面更加的简单，使用的场所更广，更安全，时尚与健康结合更完美！ 8 四、参考文献 1 百度百科 .火盆 OL.（ 2010-6-23） .http:/ 2 Smock. Doug . Make You Own ShoesJ.
16、 Design News, 2009-05-01, 64（ 5）： 42-46 3 Barger. Theresa Sullivan.Munro Shoes- Made in AmericaJ.Saturday Evening Post, 2009-05, 281( 3)： 30-33 4 陈独愚 . 节能电热暖脚器 P.中国 :91214450. 1991-11-27 5百度百科 .能量转换 OL.（ 2010-12-22） http:/ 6陈康 .百度文库 新概念绿色发电环保鞋设计说明书 OL.（ 2010-10-05）http:/ 7秦曾煌 .电工技术 M.高等教育出版社， 2009 8
17、 王兆安 .黄俊 .电力电子技术 M.机械工业出版社， 2000 9冯玉生 .李宏 .电力电子变流装置典型应用实例 M.机械工业出版社， 2008.3 10夏德钤 .自动控制理论 M.机械工业出版社， 2000.5 11冯嘉雪 .发展可再生能源：优化中国能源结构的必然选择 J.产经网 -中国工业报， 2004， 7（ 7）： 257 12顾树华，张希良，王革华 .能源利用与可持续发展 M.北京能源出版社， 2001 13会发电的鞋子 OL.( 2000-01-09) http:/ 14百度百科 .压电效应 OL.（ 2010-12-26） http:/ 15Tony Armstrong. 节能 :助推能量采集 OL.（ 2010-03-03） http:/
