运动自发热护膝

周清

摘 要：冬季以及季节变化的时期人们为了御寒往往会运动，但是运动产生的热量主要集中在肌肉多的地方，而膝关节等肌肉少的地方的温度并沒有提高，为了使对风湿、类风湿关节炎患者、中老年人群关节炎通过运动达到温热理疗的效果。本设计是一种可以通过走动健身产生的机械能转换为电能发热使膝关节达到保暖的护膝，就是在护膝里安装活性碳纤维发热布，当有电流流过碳纤维时会出现均匀的发热现象，从而达到提高温度的目的。为了活动方便不能采用固定电源，而普通的充电电池有能量与体积的冲突，因此引用手压电筒的原理采用手压式自发电装置，这样使用者只要做简单行走运动就可以让护膝发热达到保暖的目的并可以有效防止风湿、类风湿关节炎并减少关节疼痛。

关键词：运动自发热护膝；行走运动发电；活性碳纤维；电流热效应

中图分类号：R441.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0041-02

0 引言

经常看到那些风湿、类风湿关节炎患者，每到冬天都要带上厚厚的护膝，但是效果不是很好。现在市面上有利用化学物质反应的热敷贴，但是经常使用花销很大，而且会带来环境的污染。本设计就是探寻持续的清洁能源使护膝持续加温，从而解决关节炎病人烦恼的产品。

1 运动自发热护膝的能源设计与论证

要给护膝持续加温就需要持久的电源，如果采用外接电源使用起来不是很方便。采用充电电池也会发生能量与体积的冲突。本设计引用把手压（摇）式电筒的原理，这样护膝就有了持续的便携式电源，这样不仅可以很好的解决便携式电源的能量与体积的冲突，使用者只要通过行走运动就可以实现持续能量的产生，并促使使用者锻炼。

本设计采用拉力式发电机，在大腿、小腿处各安装一个固定带，利用人体走路时提腿运动使发电机产生电流，如图2所示。一个50kg的成年人的行走时使铁芯在线圈内运动3cm就会产生15焦耳的能量，如果每分钟双脚各运动10次就会有300焦耳的能量，这样时候可以得到比较稳定的电能，当温度达到设定温度（35℃左右）的时候自动转为冲电模式，温度低于设定程度（30℃左右）就自动从电池放电。电池设有自动报警功能，如果电池的电量不足的时候会提示运动发电。

该自发电源电路原理如图1所示。在使用的时候行走充电器，使它的磁铁移动，通过线圈即产生电能，再经图中的d1-d4整流，c1贮能向电池cr2032充电而实现自发电的功能。通过智能温控开关控制使护膝发热。

为了使用方便我在发电设备安装外面安装了一个外壳，这样就大大减少了故障发生的概率。由于护膝的体积不能太大，本设计把电池设计成环状。

2 保暖护膝的发热材料的研究与论证

在保暖护膝的发热材料上本设计也进行了深入的研究。首先想到了电热毯，电热毯通过电流的热效应，将电能转化为内能，可以达到加热的目的，如果能够根据电热毯的工作原理制作一个小型块状加热片，不就可以达到很定加热的目的吗？通过对旧电热毯的研究发现，电热毯的发热材料为一根弯曲的电阻丝，电阻丝周围填有真空棉之类的导热材料，作用是热量均衡。通过试验，证明这一设计思路的可行的，但是仍然存在很多不足之处。

第一，电阻丝的排列不能太近，间距太小时发热功率往往较大，开始试用时还好，时间稍长就会有灼热感，甚至感觉很烫。

第二，间距太大时发热点又太过分散，单靠真空棉一类的导热材料无法达到足够的热量均衡，其结果就是靠近电阻丝的地方温度较高，而远离电阻丝的地方温度却较低（这一现象在作为床上使用的电热毯时影响往往不够明显，但是用在护膝里加热时其不足就显得十分明显了）。

第三，金属材质的电阻丝抗折叠性能不好，而且任何一根折断整个支路就不能正常发热。

第四，金属材质的电阻丝比较硬，而人的膝盖处不是很平整，这样使用效果会大打折扣。

基于以上几个问题，通过各类书籍、网络、甚至相关广告查找大量的资料，终于找到了一种合适的制作材料，即由碳纤维发热材料等压制而成的活性碳纤维发热布。碳纤维发热布是最新发明的高新技术产品，采用尖端发热材料-碳素纤维和棉纤维合制而成后压膜耐热性绝缘聚氨酯材料，是一种新型的高性能纤维增强材料。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、耐腐蚀、防水、抗蠕变、导电、导热等诸多优异性能，可以说是金属丝、PTC等电热材料，所不可比拟的极佳的发热材料。当活性碳纤维发热布通电后，碳纤维和棉纤维二者的分子形态进行结合，释放出波长为5-20微米的电磁波，所辐射的电磁波中有90%以上的属于远红外线热辐射，由于红外线的热效应很明显，所以活性炭纤维发热布的发热效果很好。

除此之外，活性碳纤维布还有以下几种优点：

第一，温度提升速度快，由0°C升至37°C仅需1分钟左右（可谓“通电即热”），而且可以使用温控器随意调节温度，参数设定之后几乎可以保证发热体达到恒温状态。

第二，省电节能性能良好，由于其每根纤维都是一个微小的发热体，纤维的排列呈密集的网状分布，所以纤维布上各个部位都在发热，发热面积大，温度分布均匀，发热效果极佳，其电能到内能的转换率可以达到98%以上，实现最大限度地降低能耗。

第三，活性碳纤维发热布具有很高的安全可靠性。活性碳纤维布质地柔软，可折叠，可挤压，不会出现断裂和破碎现象，这就有效的防止了断路、漏电现象的发生；其独特的碳棉分子结合远红外发热原理确保了该产品不会产生明火，有效避免燃烧火患；另外，其先进的涂刮压膜技术实现发热层与耐热性绝缘材料浑然一体，可以有效的杜绝短路情况的发生。

第四，由于活性碳纤维布具有独特的超薄设计，厚度只有1毫米，而且质地柔软，所以使用时更加贴护肌体曲线，达到全面保温的效果。

第五，活性碳纤维材料的物理性能良好，其抗拉强度高于钢材3-4倍，钢度高于2-3倍，耐疲劳性高于2倍，克服了金属丝、PTC、碳化硅等电热材料在电热状态下强度低、易氧化烧断的缺点。由于碳纤维是网状发热体，因此，即便有1根折断也不会影响整体通电发热，这种平行均匀排列设计彻底解决了断一处而失全局的隐患。

发热部分的核心内容就是活性碳纤维布，它通过在碳、棉两种纤维合制后压膜了一层耐热性绝缘聚氨酯材料制作而成，厚度约为1.5mm。为了保护发热用的活性碳纤维布，还特别在外面增加了一个由PVC面料制成的套层。PVC套层能够防止活性碳纤维布的磨损，能增强防水缘聚氨酯压膜层的防水性能。

3 结语

本设计的适用于风湿性关节炎、类风湿关节炎、中老年人群关节炎、腰腿疼痛、老寒腿、户外运动人员等症的温热理疗。有以下功能：

（1）通过自发电加热，不需要利用化学物质的发热来给膝关节加热，使用清洁能源。

（2）能够深度的刺激膝盖的内关、外关节等人体的关键部位。尤其针对户外运动人员，起到了消除肌肉疲劳，加强膝关节的血液循环。还能够激活细胞促进新陈代谢、疏通经络、祛风除湿、阵痛驱寒、增强机体抗病能力。

（3）促进老年人（或风湿、类风湿病患者）运动并可以缓解老年人关节疼痛。

参考文献

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[2] 谢嘉奎.电子线路，线性部分（第四版）[M].高等教育出版社，1999.

[3] 樊昌信.通信原理（第五版）[M].国防工业出版社，2001.