摘要：本文研究设计了一种利用相变材料进行散热降温或隔热保温的新型保温杯[1]。在需要长时间保温时，利用传统保温杯的优良隔热性可达到长时间保温效果；在需要快速降温时，利用相变材料相变过程吸热可快速散去水中多余的热量，以达到快速降温效果。此外，如若觉得散去的热量是一种浪费，亦可将该部分热量平缓传至人体，从而实现供暖的目的。
关键词：相变材料；快速散热；多功能保温杯；热量有效利用；热交换；节能减排；导热系数；相变微胶囊；
在提倡可持续发展的新时代，人们的节能减排、保护环境的意识越来越强，对更加便捷工具的需求亦是愈发强烈。在炎热的夏天里，人们急需一杯温水解渴，传统保温杯的优良保温性能却成了其缺点；在寒冷的冬天里，人们急需一杯热水暖手，传统保温杯中热水的热量不是热传递过快而导致的杯子外壁温度急剧上升烫伤人手，就是热传递过慢而不起供暖作用。总之，传统保温杯表现在各方面的功能过于单一，其局限性愈发突出。新型保温杯在继承了传统保温杯的保温性能下，还增添了快速散热降温的功能。不仅如此，倘若在寒冷的天气，觉得散去的热量是一种浪费，新型保温杯还可将热水中的热量通过杯底平缓传导至人体，在不会烫伤人的前提下为人们送去温暖，不仅节能减排，而且更人性化。
1设计原理
1.1原理概要
新型保温杯的主要功能可概括为保温、降温、供暖。保温一词可理解为为集热，即热量的集中，那么保温效果便比较容易实现了，仅需按照传统保温杯的形式，隔绝杯中热水与外界环境的联系，将保温杯中热水集中，或者说杯中热水中的热量无法散到外界，保温效果即可达成；降温一词可理解为散热，即散去热水中多余的热量到其他空间或介质中去，热量散去，热水的温度自然也就下降（其他条件不变），在此选择合适的吸收热量的介质是该设计的关键；供暖效果，仅需将热水中多余的热量通过温和便捷的方式传至人体即可。
1.2温度的控制原理
相变材料是指一种随温度变化而改变物质状态的物质，这种物质在相变过程中吸收或释放大量的潜热[2]。在新型保温杯需要发挥其散温性时，将热水（95）中大量的热量通过高导热系数导热材料传导至常温相变材料（25）。相变材料升温至熔点进而发生相变，相变过程伴随着大量热量的吸取，热水中的热量半数传至相变材料，热水温度下降，热水快速降温的目的得以实现。在新型保温杯需要发挥其保温性时，断绝杯内缸体中的热水与外界低温介质的接触，热水中的热量无法散去，从而达到使热水长时间保温的效果；在新型保温杯需要发挥其供暖性时，只需将相变材料中大量的热量平缓传至人手即可。
1.3温度的选择原理
一个健康状况良好的成年人的口腔与食管温度为36.5～37.2，其耐热温度为50~60，即人在饮用介于37.2与50之间的饮用水时既不会感觉太烫，亦不会觉得太凉，人手的耐热温度比口腔与食管略低，在无流动的空气中为35~45，因人而异，与气候、气压湿度等也有关系。一个健康状况良好的成年人的正常体温为37时，体表的温度约为33，即超过33的物体就可为人体御寒，实现其供暖效果。正常大气压下，水的沸点为100左右，在此预设白开水进入保温杯时的初始温度为95。此温度远高于人口腔和食管的耐热温度，也远高于人手的耐热温度，如若不能自由控制温度的变化，无论是饮用，还是供暖都极易烫伤。
1.4主要结构设计原理
新型保温杯主要结构包括杯外缸体、杯内缸体、杯底、杯盖、隔热垫、相变材料囊。新型保温杯在外观方面与传统保温杯的相差无几，兼具其简约与美观的特点，如下正三轴测图所示。杯体内部结构包括相变材料囊、导热片、杯内缸体，如下剖视图所示。
相变材料囊附着于杯外缸体底部内壁，并且仅与外缸体底部内壁接触，如此一来，能大幅度减少储有大量热量的相变材料囊中热量的损失，小部分热量传至杯底部，可提供供暖效果；内缸体的外壁凸起的长条状设计，以便在需要散热时提高散热效率；杯底内部装有导热片，导热片介于相变材料囊与内缸体的外壁之间，通过旋转杯底便可轻易控制相变材料囊、导热片、内缸体外壁之间的接触与分离，从而达到自由控制快速散热或持久保温的目的。杯外缸体内部其他部分采用真空处理，以防止过多不必要的热量的损失。
2材料选取
2.1相变材料的选取
为更好的将温度控制在供暖效果最佳的温度，选取的相变材料的相变温度应控制在略高于人体温处，在此选取相变材料的熔点为40。石蜡材料导热系数为0.21[2]，此数值数倍高于常温下空气的导热系数（0.03），高导热系数有助于提高相变材料与杯内缸体中热水的热交换效率，此外，相变材料还有相变潜热高、密封环境下融化压力变化小、化学性质稳定、没有腐蚀性、价格便宜的优点。
2.2其他主要部位材料的选取
杯内缸体选用食品级304不锈钢，杯外缸体的外壁与杯盖选用耐高温PP（聚乙烯），杯外缸体的内壁与底部内侧选用高热反射系数的铝箔（热反射系数约为0.96，此处指对红外的辐射），导热片选用兼具密度小（2700）、高导热系数的铝合金（导热系数227.95），相变材料囊选用以P（MMA-co-MAA）为壁材[3]。
3理论分析
3.1热力学模型建立
在该模型中，关键点在于分析出热水中热量的去向。热传递在新型保温杯的热量交换主要表现为以下两种形式：介质之间的传导热、热辐射。介质之间的热传导又包括：热水与空气直接的热传导（打开保温杯盖时）、热水通过杯内缸体-杯外缸体-空气间接的热传导。系统的热平衡方程为：热水的热量+常温相变材料的热量+杯体各部分的热量总和+杯中空气的热量=温水的热量+升温相变材料的热量+相变材料相变过程（在此主要指融化过程）吸收的热量+升温后杯体各部分的热量总和+升温后杯中空气的热量。
3.2热力学模型简化
考虑到热水中热量去向众多，影响因素也过于繁杂，在此简化该模型，不考虑其他（除热水与相变材料之间传递的热量，该部分热量包括上述所提及的：介质之间的热传导和热辐射的热量）热损失的前提下，可得简化的系统的热平衡方程为：热水的热量+常温相变材料的热量=温水的热量+升温相变材料的热量+相变材料相变过程吸收的热量，亦可化简为：热水中多余的热量=使相变材料温度上升的热量+使相变材料发生相变的热量。
简化的热平衡方程为：
4实施方式
新型保温杯发挥其保温性时，通过旋转杯底一定的角度即移动导热片，使新型保温杯处于上图（状态1），即内缸体、相变材料囊与导热片三者分离，内缸体中的热水与低导热系数的介质接触（此处的低导热系数介质指：隔热垫、杯内缸体和杯外缸体交接处介质），热水中的热量无法快速散去，保温性实现。新型保温杯发挥其散热性时，通过旋转杯底一定的角度即再次移动导热片，使新型保温处于上图（状态2），即内缸体、相变材料囊与导热片三者接触，内缸体中热水与高导热系数的介质接触，热水中的热量可快速传至相变材料囊与杯底，相变材料吸收热量，从而温度上升，直至相变温度（熔点），相变材料发生相变进而吸收更多的热量，热水热量散失，温度迅速下降。
5结论
经热力学理论分析，在同等情况下（排除各种非主要因素），使用新型保温杯散热效果较传统保温效果极佳。数据显示：常温条件下，石蜡导热系数是空气导热系数的7.87倍（传统保温杯的散热方式主要是对流动空气的热传导），导热片的导热系数更是远远高于此二者，故而，从理论上来说，新型保温杯的散热效率为传统保温杯的7.87倍。
6发展前景
当今市场的大多数保温杯只为其保温效果而设计，存在各方面局限性。而新型保温杯不仅可以实现对高温开水的快速降温，以便于人们在口渴时对于常温开水的迫切需求；而且可以实现对高温开水多余的热量进行的有效利用，以便满足人们在寒冷时对于热量的迫切需求；再者相变材料的合理铺设，可避免因温度的大幅度变化而烫伤人们。新型保温杯不仅符合节能减排的新时代背景，而且能充分满足人们人性化需求，将会有非常不错的前景。
参考文献：
[1]尤运,张立昂,涂钊,姜未汀,潘卫国.基于强化传热保温降温新型两用杯的研究设计[J].科技创新与应用,2018(12):104-105.
[2]邹勇,仇汝冬,王霞.石蜡相变材料蓄热过程的模拟研究[J/OL].储能科学与技术:1-11[2019-09-20].https://doi.org/10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0166.
[3]胡荣荣,李凤艳,赵天波.石蜡/P(MMA-co-MAA)相变微胶囊的制备与性能[J].精细石油化工,2019,36(04):63-68.
论文作者:易群杰 朱艳华
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/24
标签：热量论文; 保温杯论文; 缸体论文; 材料论文; 温度论文; 系数论文; 热水论文; 《科学与技术》2019年第11期论文;