本發(fā)明涉及日常用品領域，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：
隨著科技的進步，生活節(jié)奏逐漸加快，時間變得越來越寶貴。當人們使用裝有開水的傳統(tǒng)保溫杯時，夏天想喝水的時候水溫太高，冬天喝的時候又會發(fā)現(xiàn)保溫杯放置時間過長水溫變低，水溫總是達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，浪費時間的同時又不能保證喝到溫水。這時人們就急需一種可以對水進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)一種能夠對水進行恒溫調(diào)節(jié)的水杯是非常必要的。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供一種基于相變蓄熱材料的蓄熱保溫水杯，該水杯結構簡單，不僅可以保溫，同時也可以制冷或加熱，使水杯在適宜的溫度達到很好的保溫效果。這就相當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，周圍的熱源便會為水提供熱量，一旦水溫過高，周圍的相變蓄熱材料便會吸收過高的水溫，最終保證水的溫度長時間穩(wěn)定在適宜飲用的溫度，讓繁忙的人們喝水更加方便，不必因為水溫的不適而煩惱。
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)，所述外壁為導熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)的有機玻璃；所述夾層空間內(nèi)設有相變蓄熱材料。
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，所述有機玻璃的導熱系數(shù)為0.1-0.18W/(m.K)。
優(yōu)選地，位于所述夾層空間內(nèi)的外壁一側貼有鋁箔，所述鋁箔內(nèi)側面為銀色，外側面為黑色。
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系為700-740g:1000mL。
優(yōu)選地，所述外壁全部或局部進行磨砂處理。
本發(fā)明提供的蓄熱保溫水杯具有以下有益效果：
(1)結構簡單，使用方便，采用不銹鋼與有機玻璃的套層結構，二者夾層空間中設置相變蓄熱材料，可實現(xiàn)對水杯中的水進行恒溫調(diào)節(jié)，使該水杯中水的保溫時間大大延長，且加熱時不會出現(xiàn)水溫過高的情況，最終達到長時間控溫保溫的目的，隨時讓人們喝到溫水；
(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，同時也為喝水節(jié)省了大量時間；
(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(有機玻璃)表面進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)明實施例提供的一種蓄熱保溫水杯的剖視圖；
具體實施方式
為了使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案能予以實施，下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發(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為導熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)的有機玻璃；所述夾層空間內(nèi)設有相變蓄熱材料103，內(nèi)壁101和外壁102在頂部用有機玻璃進行套層封口，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與有機玻璃外壁102的套層結構，其夾層空間內(nèi)放置上述相變蓄熱材料103。其中Na2S2O3.5H2O晶體為無機水合鹽相變蓄熱材料的主要成分，無機水合鹽相變材料具有比較大的熔解熱和固定的熔點(實際是無機水合鹽脫出結晶水的溫度)，脫出的結晶水使鹽熔解而吸熱，降溫時發(fā)生逆過程，吸收液態(tài)水而放熱再次生成無機水合鹽結構。其中Na2S2O3.5H2O晶體的熔解溫度為48℃，當水杯中水的溫度超過48℃時，過高的水溫會被Na2S2O3.5H2O晶體吸收，該晶體將脫出結晶水熔解為Na2S2O3和液態(tài)水進而存儲201kJ/kg的熱量，此時結晶水變?yōu)橐簯B(tài)水與羧甲基纖維素形成膠狀體；當水溫低于48℃時，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，相變蓄熱材料103將放出大量的熱，實現(xiàn)對水的加熱，但是放出的熱量不會使水溫超過48℃，因為Na2S2O3.5H2O的熔點為48℃，超過48℃它將不再發(fā)生相變，也不會吸熱或放熱，最終長時間將水溫保護在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防相分離劑，為了不會在Na2S2O3.5H2O發(fā)生熔解或合成時生成其他水合物，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，防止溫度變化時不會在理論溫度48℃發(fā)生熔解或凝固，發(fā)生過冷現(xiàn)象，進而導致蓄熱性能下降。
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，具體計算如下：
(1)若將此保溫水杯用于降溫(從90℃降至55℃)，計算如下：
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；
假設該水杯容量為V1＝500mL，倒入的開水溫度為90℃，經(jīng)以上公式計算得：
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。
假設杯內(nèi)半徑r1為3cm，由πr2h＝V1可計算得h＝17.68cm，因此瓶體高度加工為18cm合適。
由πr22h-πr12h＝V2計算可得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，模擬升溫計算所需的能量相比模擬降溫計算所需的能量小，因此按上述(1)中的晶體含量和蓄熱層厚度設計此保溫水杯即可。
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定為6mm-8mm。
只在上述夾層空間設置相變蓄熱材料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采用有機玻璃，其導熱系數(shù)為0.18W/(m.K)的材料，它的導熱系數(shù)小于0.2W/(m.K)，屬于保溫材料。即是說，當杯中的水被加熱或降溫到45-55℃時，該結構可以有效的降低熱量的散失。另外，構成水杯外壁102的有機玻璃外表面進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、對流和輻射，其中，傳導存在于水與水杯之間，采用有機玻璃保溫材料可以有效的阻礙熱的傳導進而對水進行有效的保溫，另外兩種熱傳遞方式分別用以下方法解決：對流只會存在于水杯蓋打開的情況，因此在水杯打開時熱量散失是非常快的，為了可以將適宜水溫保存更長時間的，喝水完后將杯蓋蓋住即可以有效的保溫。其次，杯中的熱水會以熱輻射的形式向外散失能量，在夾層空間的外壁側貼有一層鋁箔104，鋁箔104內(nèi)側為銀色可以反射熱輻射，對熱量的第三種散失形式進行阻礙，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而對水進行長時間的保溫；鋁箔104外側涂為黑色，可以有效的利用陽光對該保溫水杯中的水進行加熱。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，由于有機玻璃的導熱系數(shù)為0.18W/(m.K)，不銹鋼的導熱系數(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的有機玻璃材料緩慢流失，而剩余的98.2％的熱量使相變蓄熱材料103發(fā)生相變儲存熱量，為水杯中的水隨時加熱保溫。當水杯中的水溫度高于48℃時，Na2S2O3.5H2O晶體完全熔解，不再因為光照而儲存熱量，也不再為水杯中的水加熱，使水杯中的水溫長時間穩(wěn)定在45-55℃。該結構可以有效的防止冬天保溫杯水涼的過快。
杯體內(nèi)壁101采用導熱系數(shù)較高的不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼與水接觸，它的導熱系數(shù)在10-30W/(m.K)范圍，屬于導熱材料，可以使相變蓄熱材料103與水之間進行很好的熱交換，熱水時或對水降溫時熱傳導損失的熱量更少，進而實現(xiàn)高效的熱量存儲及釋放，更好地對水進行加熱或降溫。另外水放于不銹鋼中飲用更為安全，不用擔心塑料受熱后使有機物溶解于水中，造成健康安全問題。
該種水杯儲熱方式簡單，使用前，只需在太陽底下曬會或用開水充于杯內(nèi)即可有效的使Na2S2O3.5H2O物質(zhì)中的結晶水變?yōu)橐簯B(tài)水，進而液態(tài)水與羧甲基纖維素形成膠狀物儲存能量。存儲熱量并不斷緩慢加熱水杯水溫，這樣使保溫時間更長并且水溫一般不會超過此物質(zhì)的結晶溫度，即45-55℃左右，讓人們可以隨時隨地渴了就喝上溫水。當水杯中的水變涼時，相變蓄熱材料層會重新形成Na2S2O3.5H2O晶體放出熱量，對水進行加熱。儲熱方式簡便且自動加熱保溫。
優(yōu)選地，為了更好的實現(xiàn)保溫效果，杯蓋采用有機玻璃真空結構，防止熱量從瓶口以熱傳導的形式散失。
以上所述實施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實施例，其保護范圍不限于此。本技術領域的技術人員在本發(fā)明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護范圍以權利要求書為準。