可蓄熱新型多功能保溫杯的技術研究

江 涌，魏斯勝，韓心如，馬文文

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

0 引言

近幾年隨著時代的發展、科技的進步，人們對于能源的可持續發展和環境的保護越來越重視，并且更便捷、更快速、更多元化的時代潮流也已來臨，面對這樣的大環境，可蓄熱新型多功能保溫杯，不僅有著快速降溫的功能，同時還使用太陽能供能，做到了便捷又環保，并且功能齊全，適用于多種人群。

1 可蓄熱新型多功能保溫杯的結構

1.1 保溫杯的組成

本項目研究是一種可蓄熱新型多功能保溫杯，主要包括三部分，即杯蓋、杯體和提帶（圖1）。

圖1 可蓄熱新型多功能保溫杯結構

杯蓋表面設有可扣合的太陽能電池板，上層太陽能板可180°旋轉，增加了受光面積，使其能充分進行光電轉換，產生的電能提供杯蓋內各類電子元件使用。為了解決太陽能電池板在陰雨天無法產生電能的弊端，在液晶顯示屏的兩側設有蓄電池，保證在陰雨天氣液晶顯示屏同樣可以持續工作。

杯體外殼采用可循環使用的環保材料PC7 號塑料，內膽采用SUS316 不銹鋼。SUS316 不銹鋼塑性、韌性、冷變性、焊接工藝性能以及高溫強度好，適合用于保溫杯內膽制作。杯體外殼和內膽外壁之間夾有真空絕熱層，防止散熱，保證了長時間保溫。

該保溫杯最大的亮點在于其可蓄熱，內膽中間充入的石蠟類相變蓄熱材料可以存儲熱能，大大增加其保溫效果。另外，相變蓄熱材料的底部裝有測溫探頭，可以實時探測溫度。

1.2 相變蓄熱材料

該保溫杯的設計中，最重要的環節就是如何實現可蓄熱，而實現可蓄熱性能最為關鍵的是對相變蓄熱材料的選取。為實現長久保溫的功效，需要針對保溫杯的性能選擇適合的相變蓄熱材料。

在相變過程中相變材料本身的溫度基本保持不變，其在熔化過程中吸收熱量、在凝固過程中放出熱量，這部分能量被稱為相變潛能。正是利用這部分能量來實現對溫度的控制和長久保溫。近幾年隨著對蓄熱材料的開發與研究，逐漸衍生成為兩大分支，分別為水合鹽類固液相變材料和有機物類固液相變材料。

第一類即水合鹽類固液相變材料具有較大的相變潛熱且擁有固定的熔點，導熱系數較高，相變潛熱一般在150～300 J/g，價格便宜；但是其顯著缺點在于相分離和過冷現象，并且對容器也有一定腐蝕作用，所以其應用受到限制。

第二類相變材料主要是各類有機物化合物，其優點在于固態成型比較強，彌補了水合鹽類材料的缺陷，性能分析也很穩定，熔點也低、少量毒性，使用壽命較長，但是這類材料也存在一些明顯的缺點，價格較高，有一些材料存在易燃燒、易揮發或很容易被空氣中的氧氣緩慢氧化而發生老化現象[1]。

根據所設計的可蓄熱新型多功能保溫杯，為保證其穩定可靠地工作，相變蓄熱材料應滿足以下基本特質：①對溫度敏感，可以快速引發相變；②無偏析、過冷現象，熱穩定性好；③無毒、無腐蝕、無污染；④成本低廉、原料易得。

為了尋找到合適的蓄熱材料，對上述各類相變蓄熱材料展開研究，通過網上查閱資料、材料對比、性能分析、實驗研究等多種工作，最終確定石蠟類相變材料作為該保溫杯的相變蓄熱材料。石蠟類材料的特點是無偏析、過冷現象，熱穩定性好，同時無毒、無腐蝕、無污染，成本低廉。使用石蠟類相變材料，不僅不會提高工業化生產的成本，還可以確保產品性能。

因此產品的不銹鋼夾層中間添加石蠟類相變蓄熱材料，當杯子灌入熱水時，由于石蠟類相變蓄熱材料對高溫敏感，會吸收熱水的熱量由固體形態變液體形態，當杯中熱水溫度下降到某溫度值時，會把儲存的熱量反向傳輸給杯內的水，由液體形態變為固體形態，不僅延長了熱水的持續時間而且做到控溫效果。

1.3 多晶硅太陽能板

太陽能電池板已有多年的發展歷史，其中包括硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池因其光電轉化效率高、材料易得，在工業生產中得到廣泛應用，而非晶硅轉化效率低、穩定性差，應用較少。

熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態排列成許多晶核，晶核長成晶面取向不同的晶粒，這些晶粒的結晶就是多晶硅。由于多晶硅原料來源廣泛，對環境沒有污染、價格低廉、在工業應用中轉化效率持續提高，未來在太陽能行業發展中將會發揮多重作用。

本產品杯蓋表面采用多晶硅太陽能電池板，價格低，性能高，易于安裝，完全可以滿足日常的光電轉化，給電子元件供能。為了解決太陽能電池板在陰雨天無法產生電能的弊端，在液晶顯示屏的兩側設有蓄電池，可以儲存多晶硅太陽能電池板的多余電量，這樣在陰雨天氣下液晶顯示屏也可以持續工作。

2 可蓄熱新型多功能保溫杯的特性

（1）控溫性。目前市場上的保溫杯只具有保溫功能，導致水溫太高時人們無法飲用。而本產品在不銹鋼夾層中間加入了相變蓄熱材料，杯中加入熱水時相變材料可以吸收水溫中的熱量，當熱水溫度下降到某溫度值時相變材料會把熱量傳遞給水。這樣可以將水溫長時間控制在一個合適的區間，滿足人們對水溫的要求。

（2）保溫性。本產品內膽的內外層采用不銹鋼，中間夾有相變蓄熱材料，可以儲存熱能，同時在內膽外層和外殼之間，加有真空絕熱層，防止散熱，保證了長時間保溫。

（3）節能性。產品使用太陽能電池板對語音、計時、測溫等功能器件進行供電，既節約能源，又不會因為需要經常對保溫杯蓄電池充電而煩心。杯蓋使用可扣合的太陽能電池板，增加了受光面積，提高轉化效率，為各功能器件的正常使用提供保障。

（4）便捷性。本產品體積和質量適中，可以為出差、旅游的人群提供便利，學生上學和老人散步也可以攜帶。溫度測量及顯示功能，保證人們在合適的溫度下飲水；自定義語音提醒功能，防止人們錯過喝水和吃藥的最佳時間；杯子側面的可拆卸儲藥盒，可以存儲急救藥品，對居家和外出都有很大幫助。塑料外殼熒光裝飾的設計，為夜間喝水的人群提供方便。

將可蓄熱新型多功能和普通保溫杯進行對比實驗，從結果不難看出：可蓄熱新型多功能保溫杯在0.5 h 內有一定量的降溫作用，之后在較長時間內穩定在75 ℃以上，24 h 后依然保持比普通保溫杯高的溫度。

圖2 保溫杯保溫性能對比

3 可蓄熱新型多功能保溫杯推廣

隨著人們生活水平的不斷提高，對商品的實用性要求也越來越高，但目前市場上保溫杯一般只具有保溫功能，高級一點的也只能顯示溫度和語音提示，所以迫切需要一款新的多功能保溫杯來滿足人們需求。該可蓄熱新型多功能保溫杯集保溫，儲藏、顯示溫度、語音提示等為一體，為了響應國家節約資源的號召，本產品杯蓋表面設有可扣合的太陽能電池板，上層太陽能板可180°旋轉，可以更好地吸收太陽光進行光電轉換，為保溫杯的電子器件供電。由此可見，本產品更能滿足現代社會人們的要求，具有良好的商業價值。需求促進發展，高新技術對保溫杯的發展提供了技術支持，成為保溫杯市場的強大推力。可蓄熱新型多功能保溫杯作為真空保溫杯的衍生產品，更有不可估量的行業前景。