李 立

( 大連工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

由于防寒的需求,當(dāng)前市場上出現(xiàn)了小靈貓、熱力士、愛心暖腳王等幾種采暖鞋,也稱為發(fā)熱鞋。從國內(nèi)外的市場和專利看,發(fā)熱鞋的設(shè)計可以大致分為四類。第一類是電熱鞋,即采用外接電源或內(nèi)置電池,將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓M(jìn)行取暖。第二類是化學(xué)能發(fā)熱鞋,即在鞋內(nèi)設(shè)置發(fā)熱袋,利用物質(zhì)緩慢地燃燒(氧化過程)釋放的熱量來取暖。第三類是物理作用式發(fā)熱鞋[1-2],將人體行走的機械能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋５谒念愂亲园l(fā)電式發(fā)熱鞋,即將人體行走的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?再轉(zhuǎn)換為熱能。這四類發(fā)熱鞋各有特點,但也都存在一些不足，要么經(jīng)常充電或更換發(fā)熱袋而帶來使用的不便，要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、影響鞋使用壽命的因素增多等。因此客觀上需要一種更合理的發(fā)熱鞋設(shè)計。本設(shè)計采用電磁感應(yīng)的方法,將行走的機械能直接轉(zhuǎn)換為電能,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為熱能,設(shè)計出具有簡單結(jié)構(gòu)的自發(fā)電電熱鞋。

1 設(shè)計依據(jù)及要求

任何設(shè)計都應(yīng)該是市場、消費者、環(huán)境及社會發(fā)展的統(tǒng)一,從這一角度出發(fā),發(fā)熱鞋的設(shè)計,不能只以發(fā)熱為設(shè)計目的,在滿足發(fā)熱要求的同時,應(yīng)考慮以下問題:

(1)從人體工程學(xué)的角度,新設(shè)計的鞋應(yīng)穿著舒適,鞋底柔軟而有彈性,行走應(yīng)該省力,鞋內(nèi)溫度不因過高或過低而感到不適,即溫度應(yīng)可調(diào),溫度在鞋內(nèi)的分布應(yīng)該均勻。

(2)使用應(yīng)該方便,應(yīng)有廣泛的適應(yīng)性。

(3)要考慮使用的安全性,應(yīng)該無毒、無污染。

(4)發(fā)熱裝置應(yīng)該盡量簡化,加工簡單、成本低廉,減少影響使用壽命的因素,還要提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

(5)應(yīng)滿足低碳經(jīng)濟的要求。

2 設(shè)計的技術(shù)分析

2.1 行走時的人體工程學(xué)分析

人在行走時,兩腿交替邁步,向前邁動的腳跟著地后,在后腳掌蹬地的推動力作用下,身體一邊前移,一邊因前腿由傾斜到直立而使身體向上運動,起伏的幅度約4.4 cm[3],同時前腳逐漸增大對地面的接觸,并過渡到腳掌著地而腳跟抬起,又使另一條腿前移,兩腿這樣反復(fù)交替使身體前行。在這個過程中,腳底的壓力有兩個峰值,一個是腳跟著地時的壓力,另一個是腳掌蹬地時的壓力。使身體向上并向前移動的力來自后腳掌蹬地的力,這是由人的體力完成的。而前腳跟著地的力,是人體向上運動時蓄積的位能在下落時借助地心的引力轉(zhuǎn)化為動能,對地面形成沖擊力。這部分能量最后轉(zhuǎn)化為熱量被地面吸收并散失掉。回收這部分能量,不會格外消耗人體的能量。如果在腳跟部分設(shè)有彈性體,可以吸收腳跟的沖擊力,不僅可以減輕沖擊造成的大腦震動,有利于健康,而且由于彈性變形時蓄積了一部分人體下行的動能,在腳跟抬起時彈性體的回彈能量,可以減少腳跟抬起所需要的能量,從而減少前腳掌蹬地消耗的能量,有利于節(jié)省體力。對于鞋的前掌部分,為了有效發(fā)揮腳掌蹬地的作用,不應(yīng)有過大的變形性,為了保持一定的柔軟性,前掌可以有一定的彈性,但不能有塑性變形,以防消耗體力。

2.2 發(fā)熱方法的選擇

影響上述設(shè)計原則的關(guān)鍵因素,是能否選擇一個合理的發(fā)熱方法。從使用方便和適應(yīng)性廣考慮,普通的電熱鞋和化學(xué)能發(fā)熱鞋因受電源限制或經(jīng)常充電及更換發(fā)熱袋等原因,都不能作為首選。至于物理作用式發(fā)熱鞋,當(dāng)前已有的設(shè)計,也存在一定的問題。

因此,自發(fā)電式電熱鞋可以考慮成為首選。這種電熱鞋不需要另置電源,有廣泛的實用性和使用的方便性；可以實現(xiàn)安全、無毒、無污染,也符合低碳經(jīng)濟的要求。本設(shè)計選用了線圈-永磁鐵芯電磁感應(yīng)系統(tǒng)來發(fā)電,這種方法不需要傳動機構(gòu),腳跟的壓力直接推動永磁鐵芯在線圈中往復(fù)運動而發(fā)電,從而可以有效克服微型發(fā)電機發(fā)電方式的缺點。

2.3 對線圈-永磁鐵芯電磁感應(yīng)型發(fā)電系統(tǒng)可行性的分析

經(jīng)上述分析選擇的電磁感應(yīng)型發(fā)電系統(tǒng)是否能滿足發(fā)熱鞋的要求,必須作進(jìn)一步的論證。圖1是磁圈-磁鐵電磁感應(yīng)系統(tǒng)的工作原理示意圖。

圖1 線圈-磁鐵電磁感應(yīng)

圖1中N、S分別是永磁鐵的北極和南極,當(dāng)磁鐵向下運動接近線圈A時,由線圈上的導(dǎo)線所圍成的面積內(nèi),其磁通量將發(fā)生變化,根據(jù)法拉第定律,線圈導(dǎo)線內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。又根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電流的方向是使由該電流所產(chǎn)生的磁場去抵消磁鐵移近所造成的磁通量增加。圖1中帶箭頭的實線是永磁鐵產(chǎn)生的磁力線,帶箭頭的虛線是感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力線,二者的方向相反。產(chǎn)生的電流可由電流表G的指針偏移得到證實。

線圈中感應(yīng)電流I的大小取決于線圈中感應(yīng)電動勢E及線圈的電阻R,即:

I=E/R

線圈的電阻是已知的,感應(yīng)電動勢E可用下式求得:

E=NΔφ/Δt

式中,N為線圈的匝數(shù);Δφ為磁通量的變化量;Δt為與磁通量變化所對應(yīng)的時間。

已知釹鐵硼N35永磁鐵的磁通量0.4～0.7 Wb/m2,普通人在正常行走時,其步頻是0.8～1.2步/s。因此要達(dá)到一定的電動勢和電流的要求,可以改變線圈的面積和線圈的匝數(shù)來滿足,其中線圈的面積受鞋跟部面積的限制,調(diào)整的幅度有限,而線圈可以多層纏繞,取值范圍是較廣的。因此要獲得必要的電能參數(shù),電磁感應(yīng)系統(tǒng)本身是沒有問題的,問題是人行走時腳跟的推動力,能否產(chǎn)生足夠的能量滿足鞋內(nèi)的取暖。

一個普通的成年人,體重多為50～70 kg,可取其低值,即取體重50 kg。行走的特點是兩腳不會同時離地,那么在前腳跟著地時,后腳的腳尖尚未離地,體重是由兩腳共同負(fù)擔(dān)的,即腳跟的下壓重力為25 kg,約250 N。由上述可知,人體行走時上下起伏的幅度為4.4 cm,考慮復(fù)位彈簧必須蓄積復(fù)位所需的能量,加上電磁感應(yīng)的阻尼效應(yīng),假定這個起伏量有30%行程能有效用于推動永磁鐵芯向下運動而做功,即移動量1.32 cm,則地球重力做功為0.013 2 m×250 N=3.3 J。在腳跟抬起時,復(fù)位彈簧的蓄積能量也將做同樣大小的功,即行走一步可做功3.3 J×2=6.6 J。為了計算方便,取步頻為1步/s,則行走時一只腳的腳跟可發(fā)出的功率約為6.6 W,由于系統(tǒng)沒有機械損失,只有線圈本身有一點熱損失,按能量轉(zhuǎn)化率90%計,有效功率約為6 W,與當(dāng)前的市售的小靈貓發(fā)熱鞋(內(nèi)置電源式)配制的電源總功率(6 W 和4.5 W兩種)相當(dāng)或更高,因此人行走自身能量的回收,完全可以滿足發(fā)熱鞋使用。

3 設(shè)計結(jié)果及說明

圖2是本設(shè)計的具體設(shè)計方案。除了鞋體以外,整個發(fā)熱系統(tǒng)由發(fā)電機構(gòu)、操縱和溫控機構(gòu)、發(fā)熱體及電路系統(tǒng)組成。

1 電磁室底板; 2 彈簧鋼片; 3 鞋底革層; 4 發(fā)熱體; 5 鞋內(nèi)襯; 6 上十字底板; 7 下十字底板; 8 永磁鐵芯; 9 線圈; 10 電源插座; 11 鋰電池; 12 導(dǎo)線通孔; 13 套筒; 14 自發(fā)電電源接頭; 15 二極管整流電路; 16 溫控開關(guān); 17 手動開關(guān); 18 電路板; 19 復(fù)位彈簧

圖2 自發(fā)電采暖鞋設(shè)計方案示意圖

Fig.2 Sketch schematic design of self-generated electricity heating shoes

發(fā)電機構(gòu)的主體由固定在鞋跟電磁室中下十字底板7上的線圈9和固定在上十字底板6上的永磁鐵芯8組成,在上下十字底板間支撐著裝在套筒13中的復(fù)位彈簧19,這樣可以保證隨著行走時腳跟的起落,永磁鐵芯在線圈中做上下往復(fù)運動而產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流經(jīng)電路板18(電路圖見圖2左)的二極管整流電路15變?yōu)橹绷麟?通向布置在鞋底表面和鞋幫中的碳纖維制成的發(fā)熱體4。

操作和溫控機構(gòu)由溫控開關(guān)16和手動開關(guān)17組成。當(dāng)鞋內(nèi)溫度超過30 ℃時,雙金屬片構(gòu)成的溫控開關(guān)由左向右,停止向發(fā)熱體供電,接通鋰電池充電線路,將多余的電量儲存于鋰電池中,以保持鞋內(nèi)溫度適中。溫度低于30 ℃后,溫控開關(guān)復(fù)位,恢復(fù)向發(fā)熱體供電。在停止行走或坐位工作時,自發(fā)電機構(gòu)停止工作,可用手控開關(guān)17接通鋰電池供電線路,像發(fā)熱體供電。也可以經(jīng)外接電源插座10接通外電源向鋰電池充電,或向發(fā)熱體供電。

發(fā)熱體可以采用碳纖維混抄的電熱紙、碳纖維制造的無紡布,或由電阻絲編織而成。

4 結(jié) 語

(1)選擇線圈-永磁鐵芯發(fā)電機構(gòu),不用另置電源,且結(jié)構(gòu)較簡單,沒有機械傳動裝置。不僅解決了方便性和廣泛實用性,保證安全、無毒、無污染,滿足低碳經(jīng)濟的要求,而且能量轉(zhuǎn)化的效率高,幾乎沒有易損件,有利于提高使用壽命,降低成本。

(2)從人體工程學(xué)的角度出發(fā),合理利用腳跟下壓的能量,并采用彈性元件蓄積部分下壓能量,回彈時可推動腳跟抬起,減少行走的體力消耗；彈簧鋼片2的前端置于腳趾和腳掌關(guān)節(jié)的后方,以保證不影響腳掌蹬地時鞋底應(yīng)有的柔軟性；溫控機構(gòu)保證了鞋內(nèi)溫度適中。發(fā)熱體不僅分布于鞋底,也部分分布于鞋幫,保證鞋內(nèi)溫度分布均勻。

(3)在方便性和實用性方面,設(shè)置手動開關(guān)控制鋰電池供電線路,利用鞋內(nèi)超溫時蓄積的能量供不行走時取暖,甚至備有外接電源以應(yīng)對特殊情況,比如坐位工作或行動不便人員,大大擴大了方便性和實用性。

[1] 許長根. 自發(fā)熱取暖鞋:中國, CN90212024.7[P]. 1990-08-29.

[2] 張正鳳. 一種自動發(fā)熱鞋:中國, CN97108189.1[P]. 1999-02-10.

[3] 吳劍,李建設(shè). 人體行走時步態(tài)的生物力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 中國運動醫(yī)學(xué)雜志, 2002, 21(3):305-307.