بالشتک چهار فصل
دهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید اما کار ما هنوز تمام نشده است! این دوره نیز همچون سال های گذشته دوستان بسیاری با ثبت طرح ها و ایده های خلاقانه خود در منوی "پیشنهاد موضوع" ما را در ارتقای تنوع پروژه ها یاری نموده‌اند. هم چون گذشته بر آن شدیم تا با گردآوری این ایده های جالب، علاوه بر قدر دانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم. فراموش نکنید که ما همیشه منتظر طرح های جدید شما عزیزان هستیم.
نام ایده: بالشتک چهار فصل
نام ارائه دهنده/دهندگان: کیمیا رمضانی، شیدا فرجی
زمینه و نوع پروژه: فیزیک/ تحقیقاتی
درجه سختی: دشوار
نام مدرسه: فرزانگان 1
انسان همیشه در تابستان ترجیح می دهد که در جایی خنک استراحت کند و یا در زمستان در مکان گرم. به همین دلیل سالانه انرژی و سوخت زیادی صرف سرد و گرم کردن اتاق و اتومبیل افراد می شود. بنابراین پژوهشگران به فکر طراحی بالشتکی افتادند که در همه مواقع و شرایط آب و هوایی برای استفاده کنندگان مفید باشد. آن ها ایده طراحی بالشتک چهارفصل را ارائه کردند. نمونه های مشابهی در ژاپن و آمریکا طراحی شده است ولی میزان انرژی هدر رفته آن ها زیاد بود بنابراین دانش‌آموزان با استفاده از مواد ترموالکتریک و با صرف انرژی کمتر، سعی در طراحی این وسیله کردند.
از ویژگی های این طرح این است که:
1. به محیط زیست آسیب نمی رساند. (با توجه با استانداردهای حفاظت از محیط زیست یعنی آلودگی تولید نمی کند)
2. صرفه جویی در مصرف انرژی
3. همان طور که هر راننده‌ای می داند، در تابستان گرم بعد از چند ساعت زیر نور خورشید گرمای داخل خودرو غیر قابل تحمل می شود و صندلی ماشین واقعاً گرم است. شواهد زیادی وجود دارد که بسیاری از حوادث رانندگی در فصول گرم اتفاق می افتد. زیرا بدن انسان در محیط غیر قابل تحمل و گرم احساس خستگی می کند، این مشکل در اتوبوس بزرگ که از سیستم تهویه هوا برخوردار نیستند بیشتر است. این پدها به راحتی می توانند این مشکل را حل کنند و باعث شوند میزان تعرق راننده در مدت طولانی کمتر شود.
4. این پد سرد کننده و گرم کننده در ولتاز بسیار پایین و ایمن 21 ولت کار می کند و پکیج ترمو الکتریک برای امنیت بیشتر از پد جداست و هوای گرم و سرد توسط لوله هایی انعطاف پذیر به داخل پد انتقال داده می شود. این دستگاه می تواند از تعرق فرد بکاهد و دمای بدن او را متعادل کند. همچنین در روزهای سرد زمستانی داشتن جای گرم و نرم غنیمت است! این بالشتک می تواند گرمای مطبوعی را به بدن راننده انتقال دهد. این مشکل در تاکسی ها و اتوبوس ها خیلی بیشتر است زیرا در تاکسی ها چون درب اتومبیل به طور مداوم در فاصله های زمانی کوتاه باز و بسته می شود و پنجره ها نیز باز است، امکان استفاده از بخاری و یا کولر را ندارند.
از این دستگاه می توان برای سرد و گرم کردن صندلی ماشین استفاده کرد و افرادی که صاحب این نوع ماشین ها هستند نیازی ندارند تغییری در ساختار صندلی خود ایجاد کنند و به راحتی می توانند آن را روی صندلی خود نصب کنند و این دستگاه در واقع نوعی دستگاه پورتابل است. همچنین مزیت آن نسبت به صندلی های گرم شو ماشین های ساخت کشور های خارجی این است که این طرح علاوه بر گرم شدن، سرد نیز می شود. و همچنین می توان آن را روی صندلی عقب اتومبیل و یا هر جای دلخواه دیگری تعبیه کرد. درحالی که اگر صندلی های عقب را نیز هم مانند صندلی های جلوی آن بسازند هزینه ساخت آن هنگفت می شود. در این طرح با استفاده از ترمو الکتریک بالشتکی را ارائه می دهیم که سرد و گرم می شود و دیگر نیازی نیست برای گرم یا خنک کردن فضای مورد نظر، مقدار بسیار زیادی انرژی مصرف کنیم و نیز قسمتی از آن را به هدر بدهیم.
دانش آموزان این بالشتک را برای اولین بار با استفاده از TEC ها طراحی نمودند. نمونه هایی که در خارج از کشور و کشورهایی مثل ژاپن و آمریکا ساخته شده (در ایران وجود ندارد) در واقع پدهایی هستند متشکل از یک فن که این فن هوای داخل اتاق را در این پد به جریان در می آورد. پس اگر هوای اتاق گرم باشد پد گرم و اگر سرد باشد، پد سرد می شود. اما همان طور که گفته شد هدف پژوهشگران این بود که یک اتاق را با کولر و یا بخاری بزرگ گرم و یا سرد نکنند که به دنبال آن پدها گرم و سرد شوند. بلکه کولر و بخاری کوچک برای این پدها ساخته شود. لذا آن ها ابتدا مطالعاتی درباره انواع ترموالکتریک ها انجام دادند. نتیجه حاصل از این تحقیقات این بود که ترموالکتریکی که به آن نیاز است، TEC ها هستند، زیرا برخلاف ژنراتور ترموالکتریک که اختلاف دما (انرژی گرمایی) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند، TEC ها انرژی الکتریسیته را به اختلاف دما تبدیل می کنند. بدین ترتیب ترموالکتریک مورد نظر تهیه شد.
سپس وسایل جانبی یعنی هیت سینک و دو فن متوسط 21 ولتی هم مورد نیاز بود. از آنجایی که در صفحه گرم TEC ها دما گاهی تا حدی بالا می رود که باعث می شود آن ها بسوزند، چسباندن TEC به هیت سینک با خمیر سیلیکون که گرما را به محیط انتقال میدهد، امری لازم است. در واقع گرمای TEC به هیت سینک منتقل شده و با فن تعبیه شده روی آن، هیت سینک خنک می شود. بعد از مونتاژ این نمونه اولیه و آزمایش کارکرد آن، تصمیم به استفاده از باد گرمی که فن تولید می کرد برای گرم کردن بالشتک مورد نظر گرفته شد.
در قسمت سرد ترموالکتریک که دما گاهی به زیر صفر هم می رسد هیت سینک دیگری روی آن با استفاده از خمیر سیلیکون قرار داده و سپس فن دیگری به هیت سینک متصل شد. به این صورت که فن باد خنکی تولید می کند که از این باد خنک برای سرد کردن بالشتک استفاده می شود. قدم بعد انتخاب نوعی پارچه برای ساخت بالشتک و پر کردن آن بود که پس از آزمایش با موادی مختلف اعم از پنبه و الیاف هالو و... استفاده از پارچه پنبه ای تکه شده از جنس خود بالشتک به عنوان بهترین الیاف برای پر کردن آن انتخاب شد؛ زیرا طبق تحقیقات انجام شده، از این الیاف در بالش های جدید برای جلوگیری از تعرق با عبور جریان هوا در آن، استفاده می کنند.
قدمی دیگر برای ساخت پد یا بالشتک موردنظر توجه به شکل هندسی آن بود. در ابتدا آزمایش هایی با پدهای مربع و مستطیل شکل انجام گرفت اما گوشه ها و همین طور قسمت های پایین‌تر آن گرم نمی شد. به همین دلیل بالشتک به شکل دایره ای به مساحت m4/1 طراحی شد که هوا بهتر در آن جریان پیدا کرده و سریع تر و بهتر گرم خواهد شد. برای انتقال هوای سرد و گرم به بالشتک نیز از لوله پلاستیکی سبک و انعطاف پذیر استفاده شده است. همچنین برای امنیت بیشتر دستگاه، پکیج ترموالکتریک، فن ها و هیت سینک جدا از بالشتک تعبیه شده است تا اگر اتفاقاتی مانند اتصال کوتاه و... ایجاد شد، خطری فرد استفاده کننده را تهدید نکند.
مواد و وسایل مورد نیاز
ترموالکتریک، فن 21 ولتی، هیت سینک، خمیر سیلیکونی، الیاف هالو، لوله پلاستیکی، منبع تغذیه، سیم های رابط، پارچه پنبه ای، کاتر، دماسنج.
مهارت های کسب شده1. آشنایی با انواع ترموالکتریک ها و کاربرد آن ها
2. آشنایی با انواع عایق ها و انتخاب پارچه و یا الیافی مناسب برای ساخت پد یا بالشتک مورد نظر
3. آشنایی با نحوه تبادل حرارتی
4. ساخت سبک‌تر این وسیله و قرار دادن حداکثر تعداد TEC که بازده دستگاه را بالا برد
5. استفاده برای ساخت دستکش هایی که دستمان را گرم می کنند و یا دمای بدن را تنظیم می کنند.
