本發(fā)明涉及日常用品領(lǐng)域，具體涉及一種基于相變蓄熱材料的蓄熱保溫水杯。

背景技術(shù)：

隨著科技的進(jìn)步，生活節(jié)奏逐漸加快，時(shí)間變得越來越寶貴。當(dāng)人們使用裝有開水的傳統(tǒng)保溫杯時(shí)，夏天想喝水的時(shí)候水溫太高，冬天喝的時(shí)候又會(huì)發(fā)現(xiàn)保溫杯放置時(shí)間過長水溫變低，水溫總是達(dá)不到自己想要的理想溫度。使用傳統(tǒng)保溫杯等待開水逐漸變涼的過程是漫長的。假如傳統(tǒng)保溫杯晾的水過涼，夏天還好，冬天只能重新加熱，浪費(fèi)時(shí)間的同時(shí)又不能保證喝到溫水。這時(shí)人們就急需一種可以對水進(jìn)行控溫并可長久保溫的水杯?？v觀現(xiàn)在市面上的保溫水杯普遍利用保溫材料和隔熱真空層，這種水杯雖然對熱水有保溫的作用，但由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)是固定的，加之熱量總是由高能向低能傳遞，其熱量的散失是單向的，熱量耗損在持續(xù)發(fā)生，使其不能很長時(shí)間保證水杯中水的溫度穩(wěn)定在45-55℃。因此，開發(fā)一種能夠?qū)λM(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)的水杯是非常必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于相變蓄熱材料的蓄熱保溫水杯，該水杯結(jié)構(gòu)簡單，不僅可以保溫，同時(shí)也可以制冷或加熱，使水杯在適宜的溫度達(dá)到很好的保溫效果。這就相當(dāng)于給水杯中的水周圍圍上一層熱源或冷源，水一旦略微變涼，周圍的熱源便會(huì)為水提供熱量，一旦水溫過高，周圍的相變蓄熱材料便會(huì)吸收過高的水溫，最終保證水的溫度長時(shí)間穩(wěn)定在適宜飲用的溫度，讓繁忙的人們喝水更加方便，不必因?yàn)樗疁氐牟贿m而煩惱。

本發(fā)明提供的蓄熱保溫水杯，包括杯體，以及與所述杯體螺接蓋合的杯蓋，其特征在于，所述杯體包括內(nèi)壁和外壁，所述內(nèi)壁和所述外壁之間具有一夾層空間，所述內(nèi)壁和所述外壁在頂部密封接合；

所述內(nèi)壁為不銹鋼材質(zhì)，所述外壁為導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)的有機(jī)玻璃；所述夾層空間內(nèi)設(shè)有相變蓄熱材料。

優(yōu)選地，所述相變蓄熱材料的主要成分是Na₂S₂O₃.5H₂O晶體。

更優(yōu)選地，所述相變蓄熱材料由Na₂S₂O₃.5H₂O晶體、成核劑和增稠劑組成，其中成核劑的添加量為Na₂S₂O₃.5H₂O晶體質(zhì)量的0.5-2％，所述增稠劑的添加量為Na₂S₂O₃.5H₂O晶體質(zhì)量的4-5％。

更優(yōu)選地，所述成核劑為MgCl₂.6H₂O晶體，所述增稠劑為羧甲基纖維素。

優(yōu)選地，所述有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1-0.18W/(m.K)。

優(yōu)選地，位于所述夾層空間內(nèi)的外壁一側(cè)貼有鋁箔，所述鋁箔內(nèi)側(cè)面為銀色，外側(cè)面為黑色。

優(yōu)選地，所述夾層空間的厚度為6mm-8mm。

優(yōu)選地，所述相變蓄熱材料的添加量與杯體容積的比例關(guān)系為700-740g:1000mL。

優(yōu)選地，所述外壁全部或局部進(jìn)行磨砂處理。

本發(fā)明提供的蓄熱保溫水杯具有以下有益效果：

(1)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，采用不銹鋼與有機(jī)玻璃的套層結(jié)構(gòu)，二者夾層空間中設(shè)置相變蓄熱材料，可實(shí)現(xiàn)對水杯中的水進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)，使該水杯中水的保溫時(shí)間大大延長，且加熱時(shí)不會(huì)出現(xiàn)水溫過高的情況，最終達(dá)到長時(shí)間控溫保溫的目的，隨時(shí)讓人們喝到溫水；

(2)不銹鋼相比塑料材質(zhì)飲水更加安全，此種蓄熱水杯適用于各種人群，同時(shí)也為喝水節(jié)省了大量時(shí)間；

(3)采用套裝加工，一層套一層減少加工難度，加工簡便；

(4)水杯外壁(有機(jī)玻璃)表面進(jìn)行全部或局部磨砂處理，防止手滑掉落。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種蓄熱保溫水杯的剖視圖；

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案能予以實(shí)施，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。

一種蓄熱保溫水杯，具體如圖1所示，包括杯體，以及與杯體螺接蓋合的杯蓋，杯體包括內(nèi)壁101和外壁102，內(nèi)壁101和外壁102之間具有一夾層空間；內(nèi)壁101為不銹鋼材質(zhì)，外壁102為導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)的有機(jī)玻璃；所述夾層空間內(nèi)設(shè)有相變蓄熱材料103，內(nèi)壁101和外壁102在頂部用有機(jī)玻璃進(jìn)行套層封口，密封接合。

優(yōu)選地，上述相變蓄熱材料103的主要成分是Na₂S₂O₃.5H₂O晶體，具體是由Na₂S₂O₃.5H₂O晶體、成核劑和增稠劑組成，其中成核劑的添加量為Na₂S₂O₃.5H₂O晶體質(zhì)量的0.5-2％，增稠劑的添加量為Na₂S₂O₃.5H₂O晶體質(zhì)量的4-5％。

優(yōu)選地，上述成核劑為MgCl₂.6H₂O晶體，增稠劑為羧甲基纖維素。

上述蓄熱保溫水杯采用不銹鋼內(nèi)壁101與有機(jī)玻璃外壁102的套層結(jié)構(gòu)，其夾層空間內(nèi)放置上述相變蓄熱材料103。其中Na₂S₂O₃.5H₂O晶體為無機(jī)水合鹽相變蓄熱材料的主要成分，無機(jī)水合鹽相變材料具有比較大的熔解熱和固定的熔點(diǎn)(實(shí)際是無機(jī)水合鹽脫出結(jié)晶水的溫度)，脫出的結(jié)晶水使鹽熔解而吸熱，降溫時(shí)發(fā)生逆過程，吸收液態(tài)水而放熱再次生成無機(jī)水合鹽結(jié)構(gòu)。其中Na₂S₂O₃.5H₂O晶體的熔解溫度為48℃，當(dāng)水杯中水的溫度超過48℃時(shí)，過高的水溫會(huì)被Na₂S₂O₃.5H₂O晶體吸收，該晶體將脫出結(jié)晶水熔解為Na₂S₂O₃和液態(tài)水進(jìn)而存儲(chǔ)201kJ/kg的熱量，此時(shí)結(jié)晶水變?yōu)橐簯B(tài)水與羧甲基纖維素形成膠狀體；當(dāng)水溫低于48℃時(shí)，保存于膠狀體中的液態(tài)水與Na₂S₂O₃接觸，重新生成Na₂S₂O₃.5H₂O晶體。此時(shí)，相變蓄熱材料103將放出大量的熱，實(shí)現(xiàn)對水的加熱，但是放出的熱量不會(huì)使水溫超過48℃，因?yàn)镹a₂S₂O₃.5H₂O的熔點(diǎn)為48℃，超過48℃它將不再發(fā)生相變，也不會(huì)吸熱或放熱，最終長時(shí)間將水溫保護(hù)在48℃。另外，Na₂S₂O₃.5H₂O晶體內(nèi)混合4-5％的羧甲基纖維素的作用是充當(dāng)防相分離劑，為了不會(huì)在Na₂S₂O₃.5H₂O發(fā)生熔解或合成時(shí)生成其他水合物，而造成Na₂S₂O₃.5H₂O晶體不能循環(huán)使用，使該水合物的蓄熱性能下降的后果；混合0.5-2％的MgCl₂.6H₂O作為成核劑，防止溫度變化時(shí)不會(huì)在理論溫度48℃發(fā)生熔解或凝固，發(fā)生過冷現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致蓄熱性能下降。

具體的，對于相變蓄熱材料中Na₂S₂O₃.5H₂O晶體晶體的用量，以及內(nèi)壁101和外壁102之間的夾層空間的厚度，具體計(jì)算如下：

(1)若將此保溫水杯用于降溫(從90℃降至55℃)，計(jì)算如下：

Q＝cm△t，其中Q是升高或降低水溫所需熱量；C是水的比熱容，大約是4.2kJ/(kg.K)；m是質(zhì)量；△t為溫度變化量。

m＝ρV，其中m是質(zhì)量；ρ是水的密度，大約是1kg/L；V₁是水的體積；

假設(shè)該水杯容量為V₁＝500mL，倒入的開水溫度為90℃，經(jīng)以上公式計(jì)算得：

500mL水的質(zhì)量為m₁＝0.5L×1kg/L＝0.5kg

Q＝4.2kJ/(kg.K)×0.5kg×(90-55)＝73.5kJ

而Na₂S₂O₃.5H₂O晶體的熔解能量為201kJ/kg

則從開水溫度降低到適宜的水溫需要m₂＝73.5kJ/201kJ/kg＝0.366kg的Na₂S₂O₃.5H₂O晶體即可。

由于已知Na₂S₂O₃.5H₂O晶體的密度為1.667g/cm³，因此所需該晶體的體積V₂＝366g/1.667g/cm³＝220cm³。

假設(shè)杯內(nèi)半徑r₁為3cm，由πr²h＝V₁可計(jì)算得h＝17.68cm，因此瓶體高度加工為18cm合適。

由πr₂²h-πr₁²h＝V₂計(jì)算可得r₂＝3.6cm，因此夾層空間厚度加工為0.6cm即可。

若將此保溫水杯用于升溫(從15℃升至45℃)，計(jì)算如下：

Q＝4.2kJ/(kg.K)×0.5kg×(45-15)＝63kJ

由于其它條件不變，模擬升溫計(jì)算所需的能量相比模擬降溫計(jì)算所需的能量小，因此按上述(1)中的晶體含量和蓄熱層厚度設(shè)計(jì)此保溫水杯即可。

綜上，夾層空間中的Na₂S₂O₃.5H₂O晶體含量為0.366kg，并且內(nèi)壁101(不銹鋼層)與外壁102(有機(jī)玻璃)之間的夾層空間厚度至少為6mm。為了避免相變蓄熱材料103發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，夾層空間厚度加工時(shí)定為6mm-8mm。

只在上述夾層空間設(shè)置相變蓄熱材料103作為熱源而不能很好的保溫這將失去該保溫水杯的作用。因此，水杯杯體外壁102采用有機(jī)玻璃，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.18W/(m.K)的材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)，屬于保溫材料。即是說，當(dāng)杯中的水被加熱或降溫到45-55℃時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以有效的降低熱量的散失。另外，構(gòu)成水杯外壁102的有機(jī)玻璃外表面進(jìn)行全部或局部磨砂處理，防止手滑掉落。

由于熱傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射，其中，傳導(dǎo)存在于水與水杯之間，采用有機(jī)玻璃保溫材料可以有效的阻礙熱的傳導(dǎo)進(jìn)而對水進(jìn)行有效的保溫，另外兩種熱傳遞方式分別用以下方法解決：對流只會(huì)存在于水杯蓋打開的情況，因此在水杯打開時(shí)熱量散失是非?？斓?，為了可以將適宜水溫保存更長時(shí)間的，喝水完后將杯蓋蓋住即可以有效的保溫。其次，杯中的熱水會(huì)以熱輻射的形式向外散失能量，在夾層空間的外壁側(cè)貼有一層鋁箔104，鋁箔104內(nèi)側(cè)為銀色可以反射熱輻射，對熱量的第三種散失形式進(jìn)行阻礙，該水杯綜合三種熱傳遞方式盡可能的防止熱所有途徑的散失進(jìn)而對水進(jìn)行長時(shí)間的保溫；鋁箔104外側(cè)涂為黑色，可以有效的利用陽光對該保溫水杯中的水進(jìn)行加熱。黑色鋁箔104吸收陽光的熱輻射后，向夾層空間兩邊傳遞熱量，由于有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.18W/(m.K)，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)在10-30W/(m.K)范圍，鋁箔104所吸收的熱輻射1.8％左右的熱量從水杯外側(cè)的有機(jī)玻璃材料緩慢流失，而剩余的98.2％的熱量使相變蓄熱材料103發(fā)生相變儲(chǔ)存熱量，為水杯中的水隨時(shí)加熱保溫。當(dāng)水杯中的水溫度高于48℃時(shí)，Na₂S₂O₃.5H₂O晶體完全熔解，不再因?yàn)楣庹斩鴥?chǔ)存熱量，也不再為水杯中的水加熱，使水杯中的水溫長時(shí)間穩(wěn)定在45-55℃。該結(jié)構(gòu)可以有效的防止冬天保溫杯水涼的過快。

杯體內(nèi)壁101采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼與水接觸，它的導(dǎo)熱系數(shù)在10-30W/(m.K)范圍，屬于導(dǎo)熱材料，可以使相變蓄熱材料103與水之間進(jìn)行很好的熱交換，熱水時(shí)或?qū)λ禍貢r(shí)熱傳導(dǎo)損失的熱量更少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的熱量存儲(chǔ)及釋放，更好地對水進(jìn)行加熱或降溫。另外水放于不銹鋼中飲用更為安全，不用擔(dān)心塑料受熱后使有機(jī)物溶解于水中，造成健康安全問題。

該種水杯儲(chǔ)熱方式簡單，使用前，只需在太陽底下曬會(huì)或用開水充于杯內(nèi)即可有效的使Na₂S₂O₃.5H₂O物質(zhì)中的結(jié)晶水變?yōu)橐簯B(tài)水，進(jìn)而液態(tài)水與羧甲基纖維素形成膠狀物儲(chǔ)存能量。存儲(chǔ)熱量并不斷緩慢加熱水杯水溫，這樣使保溫時(shí)間更長并且水溫一般不會(huì)超過此物質(zhì)的結(jié)晶溫度，即45-55℃左右，讓人們可以隨時(shí)隨地渴了就喝上溫水。當(dāng)水杯中的水變涼時(shí)，相變蓄熱材料層會(huì)重新形成Na₂S₂O₃.5H₂O晶體放出熱量，對水進(jìn)行加熱。儲(chǔ)熱方式簡便且自動(dòng)加熱保溫。

優(yōu)選地，為了更好的實(shí)現(xiàn)保溫效果，杯蓋采用有機(jī)玻璃真空結(jié)構(gòu)，防止熱量從瓶口以熱傳導(dǎo)的形式散失。

以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，其保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。