CN104455151A - 一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构 - Google Patents

Abstract

一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，包括高弹性的高分子材料制作的中心骨架以及围绕中心骨架四周连接的高弹性的高分子材料制作的外围骨架，在中心骨架及相间隔的外围骨架内填充有可流动的并具有吸热降温效果的填充物，在未填充填充物的外围骨架的侧壁上开有一个或多个小孔，还包括封装填充物的高分子材料封装层，未填充填充物的外围骨架上封装或不封装高分子材料封装层；当该多功能结构所处的环境温度高于某一阀值温度时，其填充物开始吸收热量达到降温的效果，当填充物失去吸热降温效果后，将其放置在低于该阀值温度以下的环境中，将自动恢复凉效；同时在振动过程中，该结构相当于一个弹性阻尼器，通过吸收振荡时的能量，起到减震的效果。

Description

一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构

技术领域

本发明涉及一种多功能结构，具体涉及一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构。

背景技术

目前在市场上销售的冰砂垫主要采用现代高新生物技术及最新科学配方，利用最先进的“高科技生物冰快速激发成型新技术”依据物理相变原理研制而成，由于含有天然矿质及多种原料，被医学专家实验证明，具有保健功能，成为近两年来夏秋季节绝佳的绿色天然无污染消暑降温产品之首选产品。在该革命性产品出现之前，还出现了水垫、冰泥垫和冰晶垫，至今仍可看到在市场流动。

然而不管是现在流行的冰砂垫还是之前出现的水垫、冰泥垫或者冰晶垫，其功能都比较单一。特别是对于一些保鲜柜、冷藏柜等，在运输移动过程中必然伴随有颠簸振动的情况，目前大多采用泡沫等减震材料来保护物品在运输过程中不受损坏，但是这样做导致的结果是泡沫等减震材料占据了很大的空间，大大地增加了运输成本。因此，如果可以将吸热降温和减震效果合二为一，将带来极大地经济效益。同时该技术也将适合用于安全防护领域，特别是在夏季的时候，将该技术应用到汽车安全垫、婴儿座椅甚至是头枕等生活中去，一种既能吸热降温又能起到缓冲减震效果的多功能安全垫将给消费者带来良好的舒适体验和安全感。需要指出的，该技术在防弹衣等军用领域也具有广阔的应用前景，利用该技术可以极大地提高防弹衣等的安全性能，同时也能给使用者带来良好的体验和舒适性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，当该结构所处的环境温度高于某一阀值温度时，其填充物开始吸收热量达到降温的效果。当填充物失去吸热降温效果后，只需将其放置在低于该阀值温度以下的环境中，将自动恢复凉效。同时在振动过程中，该结构相当于一个弹性阻尼器，通过吸收振荡时的能量，可以起到减震的效果。该多功能结构材料成本相对低廉，其质量相对较轻，适合大规模生产和应用。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，包括高弹性的高分子材料制作的中心骨架1以及围绕中心骨架1四周连接的高弹性的高分子材料制作的外围骨架1-1，在中心骨架1及相间隔的外围骨架1-1内填充有可流动的并具有吸热降温效果的填充物2，在未填充填充物2的外围骨架1-1的侧壁上开有一个或多个小孔4，还包括封装填充物2的高分子材料封装层3，所述未填充填充物2的外围骨架1-1上封装或不封装高分子材料封装层3。

所述中心骨架1和外围骨架1-1的形状为蜂窝状六棱柱、三棱柱、长方体、椭圆体、半椭圆体或多种形状组合。

所述高弹性的高分子材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。

所述高分子材料封装层3的材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。

所述填充物2的材料为冰泥、冰晶或冰砂。

当封装后的多功能结构放置在高于某一阀值温度的环境中时，其填充物将吸收周围的热量达到降温的效果。在使用一段时间以后，其填充物将慢慢失去吸热降温的效果，此时只需将该结构置于阴凉处，即低于该阀值温度的环境中，其填充物将逐渐恢复效果，方便重复使用。该多功能结构也将充分发挥减震的效果，其相当于一个弹性阻尼器，将通过吸收振动过程中产生的冲击能量来起到保护目标结构的作用。在振动过程中该结构将不断把机械能转化为填充物与中心骨架或外围骨架之间的摩擦、填充物内部的摩擦以及填充物与高分子材料骨架本身的变形能。而在未进行填充的外围骨架骨架侧壁上的小孔将使该结构内部的气流进行有效的流通，使该结构在振动过程中能进行充分的散热。需要指出的是，即便在填充物失去吸热降温效果后，该多功能结构也具备良好的减震效果，可以对目标结构进行有效的安全保护。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过改变填充物的种类或者配方，可以有效控制阀值温度，从而使该结构可以满足不同的制冷需求。

(2)由于使用的填充物在低于阀值温度的情况下，其吸热降温的效果会得到恢复，因此该多功能结构可以重复使用。

(3)通过改变中心骨架和外围骨架的制作材料或者形状，或者是改变填充物的材料或配方，可以有效控制该结构的减震效果，使其应用于不同的环境场合中。

(4)由于中心骨架和外围骨架是用具有高弹性的高分子材料制作而成，因此即便在大变形情况下，该结构也很难发生破裂，并且其磨损破坏的过程也将非常缓慢，使用寿命长。

(5)通过控制填充物的材料或者配方、中心骨架和外围骨架的材料或者结构形状，可以有效控制填充物和骨架及外界之间的热传导效率，从而有效控制该多功能结构吸热降温的时间。

(6)对未进行填充的外围骨架侧壁上进行开孔处理，有助于该结构内部的气流进行流通，从而使其能够充分散热，延长该结构工作的有效时间。

(7)由于填充物具有吸能降温的效果和良好的流动性，以及高分子材料本身表现出的柔韧性，给人带来了极大的舒适性。

(8)在填充物失去吸能降温的效果后，该结构也具备良好的减震效果，对结构的安全进行有效的保护。

(9)该多功能结构所使用的材料成本相对低廉，且质量相对较轻，便于大规模生产和应用。

附图说明

图1是本发明多功能结构的二维示意图。

图2是本发明多功能结构的三维示意图。

图3是本发明多功能结构单次循环振动情况下的吸能示意图。

图4是本发明多功能结构吸热降温的温度—时间曲线。

图5是本发明多功能结构在动态情况下的应力—应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：

当该多功能结构所处的环境温度T_e高于阀值温度T_g时，此时填充物将吸收热量以达到降温的效果。在使用一段时间以后，填充物将失效，此时只需要将该结构置于阴凉处，即环境温度T_e低于阀值温度T_g的时候，填充物将慢慢恢复吸热降温的效果，能够进行重复使用。

该结构在减震方面表现出的良好性能主要是通过其良好的吸能特性实现的。研究该结构在单次循环振动下的减震吸能情况，其输入的机械能需要克服填充物与骨架之间的摩擦力和填充物内部发生的摩擦力以及蓄电材料骨架的变形能，可以表示为：

E＝E₁+E₂+E₃

其中E为该结构吸收的总能量，E₁为填充物与骨架之间摩擦消耗的能量，E₂为填充物内部摩擦消耗的能量，E₃为填充物和高分子材料骨架吸收的变形能。

如图3所示为该结构单次循环振动情况下的吸能示意图，从图中可以看出，该结构吸收的总能量明显多于填充物内部发生的摩擦耗散E₂和高分子材料骨架的变形能E₃之和，即：E>E₂+E₃。这部分多吸收的能量即认为是填充物与骨架之间发生的摩擦耗散。因此该结构通过吸收振动能，可以发挥良好的减震效果。

同时在未填充的外围骨架侧壁上设计有小孔，主要是考虑到在振动过程中，结构将因为摩擦而产生大量的热量。通过开孔处理使得该结构在受到挤压时，气流能得到有效的流通，从而达到及时散热的目的。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，先利用聚氨酯制作中心骨架1和外围骨架1-1，然后将冰砂作为填充物2填入到中心骨架1及相间隔的外围骨架1-1内，并在未进行填充的骨架侧面上开有并排的三个小孔4，最后利用聚氯乙烯材料作为高分子材料封装层3进行封装。

本实施例中使用的冰砂是用天然矿物质和多种原料合成，在高于阀值温度30℃的情况下开始吸收热量，当环境温度高于35℃时，冰砂会完全融化而失去凉效；而在阀值温度30℃以下时，融化的冰砂会自动结晶，恢复吸热降温的效果。

如图4所示为该多功能结构分别在初始环境温度38℃、36℃、33℃和30℃下进行吸热降温的时间—温度曲线，利用温度记录仪每隔0.5小时对环境温度进行一次读数并记录下来。在实验过程中发现，当初始环境温度为38℃时，经过一段时间的吸热后，环境温度仍然高于35℃，而此时冰砂已经完全融化；当初始环境温度为36℃时，长时间吸热后环境温度在33.5℃左右，此时冰砂尚未完全融化，仍有晶体状的冰砂存在；而当初始环境温度为33℃时，将很快吸热使得环境温度略高于30℃；在在初始环境温度为30℃时，经过一段时间的观察后，环境温度基本没变化，即认为填充物冰砂并未进行吸热，此温度即可以认为是该填充物冰砂的阀值温度。在实验中，将冰砂完全融化后的结构置于阴凉处，即低于30℃时，融化后的冰砂会慢慢结晶，完全结晶后置于高于30℃的环境中仍可重新使用。

该结构在减震方面也体现出优异的性能，如图5所示为本发明多功能结构在动态情况下的应力—应变曲线图。利用MTS万能试验机对该多功能结构的减震效果进行测试，先预压到应变0.4，然后在应变0.4的情况下进行一定振幅范围内的动态测试，设定频率为0.25Hz。根据图5的应力—应变曲线图，也可以看出该多功能结构在每次振动循环中其滞回曲线基本能够很好的重合，表明该结构具有稳定的减震特性。

实施例二

如图1和图2所示，本实施例一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，先利用聚酯树脂制作中心骨架1和外围骨架1-1，然后将冰泥作为填充物2填入到中心骨架1及相间隔的外围骨架1-1内，并在未进行填充的骨架侧面上开有并排的三个小孔4，最后利用聚氨酯材料作为高分子材料封装层3进行封装。

实施例三

如图1和图2所示，本实施例一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，先利用丁苯橡胶制作中心骨架1和外围骨架1-1，然后将冰晶作为填充物2填入到中心骨架1及相间隔的外围骨架1-1内，并在未进行填充的骨架侧面上开有并排的三个小孔4，最后利用环氧树脂材料作为高分子材料封装层3进行封装。

Claims (5)

1.一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，其特征在于：包括高弹性的高分子材料制作的中心骨架(1)以及围绕中心骨架(1)四周连接的高弹性的高分子材料制作的外围骨架(1-1)，在中心骨架(1)及相间隔的外围骨架(1-1)内填充有可流动的并具有吸热降温效果的填充物(2)，在未填充填充物(2)的外围骨架(1-1)的侧壁上开有一个或多个小孔(4)，还包括封装填充物(2)的高分子材料封装层(3)，所述未填充填充物(2)的外围骨架(1-1)上封装或不封装高分子材料封装层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种可具有吸热降温和减震效果的多功能结构，其特征在于：所述中心骨架(1)和外围骨架(1-1)的形状为蜂窝状六棱柱、三棱柱、长方体、椭圆体、半椭圆体或多种形状组合。

3.根据权利要求1所述的一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，其特征在于：所述高弹性的高分子材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，其特征在于：所述高分子材料封装层(3)的材料为橡胶、塑料或高分子基复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种具有吸热降温和减震效果的多功能结构，其特征在于：所述填充物(2)的材料为冰泥、冰晶或冰砂。