可蓄热新型多功能保温杯的技术研究

江 涌，魏斯胜，韩心如，马文文

（山东华宇工学院，山东德州 253000）

0 引言

近几年随着时代的发展、科技的进步，人们对于能源的可持续发展和环境的保护越来越重视，并且更便捷、更快速、更多元化的时代潮流也已来临，面对这样的大环境，可蓄热新型多功能保温杯，不仅有着快速降温的功能，同时还使用太阳能供能，做到了便捷又环保，并且功能齐全，适用于多种人群。

1 可蓄热新型多功能保温杯的结构

1.1 保温杯的组成

本项目研究是一种可蓄热新型多功能保温杯，主要包括三部分，即杯盖、杯体和提带（图1）。

图1 可蓄热新型多功能保温杯结构

杯盖表面设有可扣合的太阳能电池板，上层太阳能板可180°旋转，增加了受光面积，使其能充分进行光电转换，产生的电能提供杯盖内各类电子元件使用。为了解决太阳能电池板在阴雨天无法产生电能的弊端，在液晶显示屏的两侧设有蓄电池，保证在阴雨天气液晶显示屏同样可以持续工作。

杯体外壳采用可循环使用的环保材料PC7 号塑料，内胆采用SUS316 不锈钢。SUS316 不锈钢塑性、韧性、冷变性、焊接工艺性能以及高温强度好，适合用于保温杯内胆制作。杯体外壳和内胆外壁之间夹有真空绝热层，防止散热，保证了长时间保温。

该保温杯最大的亮点在于其可蓄热，内胆中间充入的石蜡类相变蓄热材料可以存储热能，大大增加其保温效果。另外，相变蓄热材料的底部装有测温探头，可以实时探测温度。

1.2 相变蓄热材料

该保温杯的设计中，最重要的环节就是如何实现可蓄热，而实现可蓄热性能最为关键的是对相变蓄热材料的选取。为实现长久保温的功效，需要针对保温杯的性能选择适合的相变蓄热材料。

在相变过程中相变材料本身的温度基本保持不变，其在熔化过程中吸收热量、在凝固过程中放出热量，这部分能量被称为相变潜能。正是利用这部分能量来实现对温度的控制和长久保温。近几年随着对蓄热材料的开发与研究，逐渐衍生成为两大分支，分别为水合盐类固液相变材料和有机物类固液相变材料。

第一类即水合盐类固液相变材料具有较大的相变潜热且拥有固定的熔点，导热系数较高，相变潜热一般在150～300 J/g，价格便宜；但是其显著缺点在于相分离和过冷现象，并且对容器也有一定腐蚀作用，所以其应用受到限制。

第二类相变材料主要是各类有机物化合物，其优点在于固态成型比较强，弥补了水合盐类材料的缺陷，性能分析也很稳定，熔点也低、少量毒性，使用寿命较长，但是这类材料也存在一些明显的缺点，价格较高，有一些材料存在易燃烧、易挥发或很容易被空气中的氧气缓慢氧化而发生老化现象[1]。

根据所设计的可蓄热新型多功能保温杯，为保证其稳定可靠地工作，相变蓄热材料应满足以下基本特质：①对温度敏感，可以快速引发相变；②无偏析、过冷现象，热稳定性好；③无毒、无腐蚀、无污染；④成本低廉、原料易得。

为了寻找到合适的蓄热材料，对上述各类相变蓄热材料展开研究，通过网上查阅资料、材料对比、性能分析、实验研究等多种工作，最终确定石蜡类相变材料作为该保温杯的相变蓄热材料。石蜡类材料的特点是无偏析、过冷现象，热稳定性好，同时无毒、无腐蚀、无污染，成本低廉。使用石蜡类相变材料，不仅不会提高工业化生产的成本，还可以确保产品性能。

因此产品的不锈钢夹层中间添加石蜡类相变蓄热材料，当杯子灌入热水时，由于石蜡类相变蓄热材料对高温敏感，会吸收热水的热量由固体形态变液体形态，当杯中热水温度下降到某温度值时，会把储存的热量反向传输给杯内的水，由液体形态变为固体形态，不仅延长了热水的持续时间而且做到控温效果。

1.3 多晶硅太阳能板

太阳能电池板已有多年的发展历史，其中包括硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池因其光电转化效率高、材料易得，在工业生产中得到广泛应用，而非晶硅转化效率低、稳定性差，应用较少。

熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，晶核长成晶面取向不同的晶粒，这些晶粒的结晶就是多晶硅。由于多晶硅原料来源广泛，对环境没有污染、价格低廉、在工业应用中转化效率持续提高，未来在太阳能行业发展中将会发挥多重作用。

本产品杯盖表面采用多晶硅太阳能电池板，价格低，性能高，易于安装，完全可以满足日常的光电转化，给电子元件供能。为了解决太阳能电池板在阴雨天无法产生电能的弊端，在液晶显示屏的两侧设有蓄电池，可以储存多晶硅太阳能电池板的多余电量，这样在阴雨天气下液晶显示屏也可以持续工作。

2 可蓄热新型多功能保温杯的特性

（1）控温性。目前市场上的保温杯只具有保温功能，导致水温太高时人们无法饮用。而本产品在不锈钢夹层中间加入了相变蓄热材料，杯中加入热水时相变材料可以吸收水温中的热量，当热水温度下降到某温度值时相变材料会把热量传递给水。这样可以将水温长时间控制在一个合适的区间，满足人们对水温的要求。

（2）保温性。本产品内胆的内外层采用不锈钢，中间夹有相变蓄热材料，可以储存热能，同时在内胆外层和外壳之间，加有真空绝热层，防止散热，保证了长时间保温。

（3）节能性。产品使用太阳能电池板对语音、计时、测温等功能器件进行供电，既节约能源，又不会因为需要经常对保温杯蓄电池充电而烦心。杯盖使用可扣合的太阳能电池板，增加了受光面积，提高转化效率，为各功能器件的正常使用提供保障。

（4）便捷性。本产品体积和质量适中，可以为出差、旅游的人群提供便利，学生上学和老人散步也可以携带。温度测量及显示功能，保证人们在合适的温度下饮水；自定义语音提醒功能，防止人们错过喝水和吃药的最佳时间；杯子侧面的可拆卸储药盒，可以存储急救药品，对居家和外出都有很大帮助。塑料外壳荧光装饰的设计，为夜间喝水的人群提供方便。

将可蓄热新型多功能和普通保温杯进行对比实验，从结果不难看出：可蓄热新型多功能保温杯在0.5 h 内有一定量的降温作用，之后在较长时间内稳定在75 ℃以上，24 h 后依然保持比普通保温杯高的温度。

图2 保温杯保温性能对比

3 可蓄热新型多功能保温杯推广

随着人们生活水平的不断提高，对商品的实用性要求也越来越高，但目前市场上保温杯一般只具有保温功能，高级一点的也只能显示温度和语音提示，所以迫切需要一款新的多功能保温杯来满足人们需求。该可蓄热新型多功能保温杯集保温，储藏、显示温度、语音提示等为一体，为了响应国家节约资源的号召，本产品杯盖表面设有可扣合的太阳能电池板，上层太阳能板可180°旋转，可以更好地吸收太阳光进行光电转换，为保温杯的电子器件供电。由此可见，本产品更能满足现代社会人们的要求，具有良好的商业价值。需求促进发展，高新技术对保温杯的发展提供了技术支持，成为保温杯市场的强大推力。可蓄热新型多功能保温杯作为真空保温杯的衍生产品，更有不可估量的行业前景。