CN105615506B - 一种微波化学反应储能自热杯及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波化学反应储能自热杯及其使用方法，所述自热杯的杯体分隔为上层杯体和底层杯体2个独立的封闭空间，上层杯体中设储水层，顶部设加水口和加水按钮；底层杯体由内至外依次设反应层、夹层和保温层，其中反应层中设吸波剂及氧化钙混合物；夹层顶部设加水喷头，加水喷头进水端与上层杯体储水层中的加水管连接，加水管通过加水按钮与吸水管连接；夹层顶部还设有与外界连通的排水排汽孔，排水排汽孔处设开关阀。本发明在无外部热源的情况下即可对杯内水进行自动、反复加热，且加热材料可重复利用；其热量利用率高、加热温度可控，不产生废弃物，节能环保。

Description

一种微波化学反应储能自热杯及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种自热杯，尤其涉及一种微波化学反应储能自热杯及其使用方法。

背景技术

现有的水杯通常只是单纯盛放液体的容器，无法实现对杯内所盛物品直接进行加热煮沸的功能。当杯内所装物品冷却后，还需将其倒出来单独加热。可是当我们在户外活动的时候，条件有限无法得到热水，这就需要一种比较简易可行的方法得到热水。根据调查发现在户外获得热水或给水加热的方式主要有以下几种：保温杯、电加热保温水杯、燃料直接加热、太阳能加热水杯以及自热水杯。

保温杯分为两种，不可加热保温杯和可加热保温杯。传统的不可加热保温杯一般是由陶瓷或不锈钢加上真空层做成的盛水容器，密封严实，真空绝热层能使装在内部的水等液体延缓散热，以达到保温的目的。这种保温杯体积小且保温时间有限，不适用于户外和长时间使用，可加热保温杯则可以解决这一问题。专利号为CN204734260U的中国专利公开了一种“便携式加热保温杯”，专利号为CN203182726U的中国专利公开了一种“车载可加热保温杯”。这两种可加热保温杯由底座和杯体组成，底座主要用于承载杯体并且设有与电源相连接的插头，杯体部分内胆设有加热管。专利号为CN202397091的中国专利公开了一种“自动加热杯”，底座可通过USB口与外置电源连接。专利号为CN204245804U的中国专利公开了“一种便携式可加热保温杯”，与上述保温杯的原理相同，只是将底座与杯体连为一体，便于携带且底座不容易遗忘与丢失。这些电加热保温杯与燃料直接加热相比，方便快捷、安全环保、干净卫生，但是在户外使用时无法提供电源，因此具有一定的局限性。

可用于户外加热的燃料包括气体燃料(罐装的天然气、石油液化气)、液体燃料(煤油、汽油)、固体燃料(废弃的植物干和茎、煤球)。燃料加热水的设备主要由炉灶、盛具组成，炉灶用来盛放燃料，盛具用来盛放水。这种加热方式优点明显：供热快速、供热量充足，并且技术成熟、操作简便。缺点也很明显：体积庞大不便携带、加热时有明火，使用不当容易引发火灾，对生命财产安全造成威胁，因此实用意义不大。

专利号为CN203692816U、CN203885195U的中国专利分别公开了一种“太阳能水杯”，水杯由三层组成，最内层用于盛放水，中间为隔热层用于保温，最外层则是太阳能电池板，在底部设置加热环管。工作的时候太阳能板收集太阳能转化为电能，通过电能来加热水。专利号为CN204260441U的中国专利公开了“一种新型多功能太阳能水杯”，水杯由外向内是太阳能电池板、隔热层、半导体制冷片和杯内腔，在底部设有蓄电池和电动马达，具有加热、制冷、和为移动设备供电等功能。专利号为CN202714620U的中国专利公开了“一种太阳能制冷制热水杯”，该水杯采用单片机控制，设计有显示器用于显示水温、光强、水位和时间。以上几种太阳能水杯不仅具有加热水的功能，同时还具有其他人性化设计和功能，安全便捷、环境友好、便于携带。但是通常太阳能充电只能在白天进行，到了晚上无法使用。即便水杯具有光电转换储能，由于其所携带的蓄电池体积有限，同时存在光电转化效率不足，会导致电池电压不够等问题。与此同时，太阳能水杯造价过高，加热水速率过慢，也不便于户外的使用。

专利号为CN102920149A的中国专利公开了“一种自动加热杯”，其杯身包括内层和外层，在把手内装有石灰粉，需要时将水倒入隔层内利用石灰粉与水的化学反应热加热，使用后将石灰粉和水倒出。虽然可以实现反应的自热，但其石灰粉的装入较难，每次用完后还要将其倒出，费力费时，浪费原料。专利号为CN1872633A的中国专利采用类似原理研制了“一种自加热餐盒”，每次使用时将石灰粉放入双层内胆中，利用氧化钙与水反应生热，使用后将氧化钙丢弃，自热过程仍受原料限制。专利号为CN203953253的中国专利公开了“一种可拆卸重复利用式自动加热杯”，杯身和底座间留有氧化钙加热包的空间，使用后将杯底拧开重新放入加热包。虽然可减少运输成本和负重，但仍无法避免使用后氧化钙的丢弃、氧化钙用光时的困扰以及氧化钙使用后产生的糊状氢氧化钙所带来的烦恼。如果能发明一种携带方便、操作简单、不用重复装填和丢弃发热材料且可在户外反复使用的自热水杯将可实现安全环保、节能高效，从而解决家居旅游及户外运动时饮用热水的问题，达到缓解身体疲劳、使人心情愉悦、增加旅途乐趣。

发明内容

本发明提供了一种微波化学反应储能自热杯，在无外部热源的情况下即可对杯内水进行自动、反复加热，且加热材料可重复利用；其热量利用率高、加热温度可控，不产生废弃物，节能环保；本发明同时提供了该自热杯的使用方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种微波化学反应储能自热杯，包括杯体、水杯内胆和杯盖，水杯内胆复合在杯体中部；所述杯体分隔为上层杯体和底层杯体2个独立的封闭空间，上层杯体中设储水层，顶部设加水口和加水按钮；底层杯体由内至外依次设反应层、夹层和保温层，其中反应层中设吸波剂及氧化钙混合物；夹层顶部设加水喷头，加水喷头进水端与上层杯体储水层中的加水管连接，加水管通过加水按钮与吸水管连接；夹层顶部还设有与外界连通的排水排汽孔，排水排汽孔处设开关阀。

所述吸波剂及氧化钙混合物由吸波剂和氧化钙按1:0.1～50的质量份比例混合而成。

所述吸波剂为铁氧体吸收剂、金属微粉吸收剂或多晶铁纤维吸收剂中的一种或一种以上任意混合。

所述杯盖的材质为不锈钢或聚丙烯塑料。

所述水杯内胆的材质为玻璃、陶瓷或聚丙烯塑料。

所述反应层与夹层之间的隔板采用多孔陶瓷制作。

一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，包括如下步骤：

1)将微波化学反应储能自热杯上层杯体的排水排汽孔打开，将杯体放于功率800W以上的微波炉中，中火或中高火加热2～5分钟；然后将排水排汽孔关闭，盖上杯盖，备用；

2)使用时，将杯盖打开，在空的水杯内胆中加入饮用水；将上层杯体顶部的加水口加开，向储水层中加入反应用水；关闭加水口后，按动加水按钮，此时，上层杯体储水层中的水通过吸水管吸入后再通过加水管到达加水喷头处，加水喷头将水喷入底层杯体的夹层中；夹层中的水再渗入到反应层中，反应层中的氧化钙与水反应生成氢氧化钙，并在反应过程中释放大量热量，释放的热量用于加热水杯内胆中的饮用水；每次饮用后，可通过将杯盖盖到杯体上进行保温；

3)水杯内胆中的饮用水喝完后，重复步骤2)，通过反复在水杯内胆中加入新的饮用水，然后按动加水按钮向夹层中加水，对饮用水进行多次加热，直至水杯内胆中的饮用水不再被加热为止；

4)重复步骤1)，重复用微波炉加热杯体备用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过手动多次加水，可以实现在无外部热源情况下对杯内水的自动、反复加热；热量的获得方式高效、方便、安全可靠；

2)利用氧化钙+水生成氢氧化钙的化学反应原理，加热材料与水在杯中反应，为加热水提供热量；利用微波加热产生的逆向反应实现加热材料可重复利用；

3)通过微波进行选择性加热，采用吸波剂可为反应储能，提高热量利用率；

4)实现储热和放热的分步实施，在室内家居场所通过微波加热储能，在户外利用加水方式快速释放热量；

5)氧化钙分散性好，可通过加水量控制反应程度，因此可以控制加热速率和最终加热温度，按需加热；

6)节能环保，杯子及其中的加热材料可反复循环使用，避免在户外直接燃烧加热导致的火灾危险，减少了污染性物质的排放，不产生废弃物。

附图说明

图1是本发明所述微波化学反应储能自热杯的结构示意图。(杯盖没有扣合到杯体上)

图中：1.杯盖 2.加水口 3.储水层 4.上层杯体 5.夹层 6.反应层 7.保温层 8.底层杯体 9.加水按钮 10.吸水管 11.加水管 12.开关阀 13.排水排汽孔 14.加水喷头15.水杯内胆

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，本发明所述一种微波化学反应储能自热杯，包括杯体、水杯内胆15和杯盖2，水杯内胆15复合在杯体中部；所述杯体分隔为上层杯体4和底层杯体82个独立的封闭空间，上层杯体4中设储水层3，顶部设加水口2和加水按钮9；底层杯体8由内至外依次设反应层6、夹层5和保温层7，其中反应层6中设吸波剂及氧化钙混合物；夹层5顶部设加水喷头14，加水喷头14进水端与上层杯体储水层3中的加水管11连接，加水管11通过加水按钮9与吸水管10连接；夹层5顶部还设有与外界连通的排水排汽孔13，排水排汽孔13处设开关阀12。

所述吸波剂及氧化钙混合物由吸波剂和氧化钙按1:0.1～50的质量份比例混合而成。

所述吸波剂为铁氧体吸收剂、金属微粉吸收剂或多晶铁纤维吸收剂中的一种或一种以上任意混合。

所述杯盖1的材质为不锈钢或聚丙烯塑料。

所述水杯内胆15的材质为玻璃、陶瓷或聚丙烯塑料。

所述反应层6与夹层5之间的隔板采用多孔陶瓷制作。

一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，包括如下步骤：

1)将微波化学反应储能自热杯上层杯4体的排水排汽孔13打开，将杯体放于功率800W以上的微波炉中，中火或中高火加热2～5分钟；然后将排水排汽孔13关闭，盖上杯盖1，备用；

2)使用时，将杯盖1打开，在空的水杯内胆15中加入饮用水；将上层杯体4顶部的加水口2加开，向储水层3中加入反应用水；关闭加水口2后，按动加水按钮9，此时，上层杯体储水层3中的水通过吸水管10吸入后再通过加水管11到达加水喷头14处，加水喷头14将水喷入底层杯体8的夹层5中；夹层5中的水再渗入到反应层6中，反应层6中的氧化钙与水反应生成氢氧化钙，并在反应过程中释放大量热量，释放的热量用于加热水杯内胆15中的饮用水；每次饮用后，可通过将杯盖1盖到杯体上进行保温；

3)水杯内胆15中的饮用水喝完后，重复步骤2)，通过反复在水杯内胆15中加入新的饮用水，然后按动加水按钮9向夹层5中加水，对饮用水进行多次加热，直至水杯内胆15中的饮用水不再被加热为止；

4)重复步骤1)，用微波炉加热杯体备用。

我们知道，氢氧化钙在520℃时加热分解会得到氧化钙与水，氧化钙与水反应后会重新生成氢氧化钙并释放热量，实现反应循环。该反应作为化学储能反应，其加热(或储能)反应与放热反应可分开实施。同时，由于反应放热(氧化钙与水反应)速率及产生热量与水加入方式和加入量有关，因此可实现放热可控调节。

微波炉是一种广泛应用的家用厨房电器，其热效率可达80％以上。微波加热利用微波波长短(1m～1mm)、频率高(300MHZ～300GHZ)的特点，可在短时间内使饮品或食材中水分子发生高速震荡并储存能量。当采用微波吸收剂时，可使被加热物体温度达到数百甚至上千摄氏度。

本发明利用微波原理和吸波剂，在短时间内选择性地将能量输入至氢氧化钙中使之分解成氧化钙和水，并将其中的水份蒸发，然后在户外可控地让氧化钙和水反应释放热量，并实现化学反应储能及放热的循环过程。该方法不用重复装填或使用一次性加热材料，携带方便、安全环保、节能高效，可解决家居旅游及户外运动时饮用热水的问题。

所述微波化学反应储能自热杯的杯盖1材质可以是不锈钢、其它金属或合金，也可以是塑料等微波可以透过的材质。当材质为不锈钢等金属时，需要在微波加热之前将杯盖1取下，以防止微波遇到金属容器后将高频微波全部反射回去，形成“高频短路”并烧毁发射微波的电子管。当杯盖1材质为微波可穿透介质(如玻璃、陶瓷、塑料、石英等)，可在微波加热过程中将其套在杯体上，但需要在微波加热前将上层杯体储水层3中的水清空。

加水口2处设有塞子，防止使用过程中上层杯体储水层3中的水分流失。

夹层5是中空结构，作为临时储水空间，一方面加水时参与反应的水可通过夹层5渗入到反应层6中，另一方面微波加热时反应层6产生的水分可通过夹层5渗出蒸发。夹层5与反应层6之间的隔板采用多孔陶瓷材料，在对加热材料起到支撑作用的同时，还具有隔热及散热作用；微波剂与氧化钙混合后形成的加热材料，可使氧化钙分散，防止氧化钙在循环反应中结块影响使用效果，并使反应热量释放均匀，避免局部过热现象。

所述吸波剂可以是铁氧体吸收剂、金属微粉吸收剂、多晶铁纤维吸收剂以及其它类型的微波吸收剂，也可以是多种吸波剂的两种或两种以上任意混合的混合物。当采用金属微粉稀释剂时，要尽量缩短微波加热时间，以避免可能导致的微波“高频短路”。

所述的铁氧体吸收剂可以是尖晶石型铁氧体，如Fe3O4；也可以是六角铁氧体如Ba0.8La 0.2Co 2Fe16O27粉末等。

所述的金属微粉吸收剂可以是来自于羰基金属微粉,如羰基铁、羰基镍、羰基钴等，也可以是通过蒸发、还原有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉。

所述的多晶铁纤维吸收剂可以采用原位复合丝材萃取，如微米级Cu-Fe-Cr纤维及亚微米级的Fe-Cr纤维等。

所述的其它类微波吸收剂可以是轻质吸收剂，如用化学镀的方法制备表面包覆合金(如Fe-Ni-P)的空心玻璃、陶瓷、塑料(聚乙烯、聚苯乙烯)、聚四氟乙烯、石英等微珠；碳纳米管与金属微粉的复合材料；Si-C-N陶瓷、SiC纤维、金属陶瓷、高热导衰减材料、石墨及乙炔炭黑吸收剂等高温微波吸收剂以及聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等具有共轭电子体系结构的导电高分子微波吸收剂。

所述吸波剂及氧化钙混合物由吸波剂和氧化钙按1:0.1～50的质量份比例混合而成，优选比例范围为1:0.2～20。氧化钙可以是粉状、颗粒状或块状。

微波加热时，反应层6温度将达到400～1000℃，较为理想的温度范围为450-800℃，最佳温度范围480-600℃，用户可根据所用微波炉的功率换算加热时间(一般高火为100％功率输出，中高火为85％功率输出)。在此温度下，氢氧化钙可以缓慢且可控地分解成为氧化钙。

加水按钮9可以将水从储水层3加至夹层5中，并进入反应层6与加热材料均匀接触。通过加水按钮9加水时可以采用间断加入方式，也可采用连续加入方式。可手动，也可通过外接电源和控制器自动加水。

加水喷头14可以是塑料的或金属材质喷头，其喷水方式可以采用连续的、间歇的或分散雾化等方式。

所述的水杯内胆15的材质可选用普通耐高温玻璃、石英玻璃、普通陶瓷、紫砂或微波炉专用的聚丙烯塑料等。要求其具有耐高温，不会因加热分解，不含对人体有害物质并可反复使用的特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，所述微波化学反应储能自热杯包括杯体、水杯内胆和杯盖，水杯内胆复合在杯体中部；其特征在于，所述杯体分隔为上层杯体和底层杯体2个独立的封闭空间，上层杯体中设储水层，顶部设加水口和加水按钮；底层杯体由内至外依次设反应层、夹层和保温层，其中反应层中设吸波剂及氧化钙混合物；夹层顶部设加水喷头，加水喷头进水端与上层杯体储水层中的加水管连接，加水管通过加水按钮与吸水管连接；夹层顶部还设有与外界连通的排水排汽孔，排水排汽孔处设开关阀；

所述微波化学反应储能自热杯的使用方法，包括如下步骤：

1)将微波化学反应储能自热杯上层杯体的排水排汽孔打开，将杯体放于功率800W以上的微波炉中，中火或中高火加热2～5分钟；然后将排水排汽孔关闭，盖上杯盖，备用；

2)使用时，将杯盖打开，在空的水杯内胆中加入饮用水；将上层杯体顶部的加水口加开，向储水层中加入反应用水；关闭加水口后，按动加水按钮，此时，上层杯体储水层中的水通过吸水管吸入后再通过加水管到达加水喷头处，加水喷头将水喷入底层杯体的夹层中；夹层中的水再渗入到反应层中，反应层中的氧化钙与水反应生成氢氧化钙，并在反应过程中释放大量热量，释放的热量用于加热水杯内胆中的饮用水；每次饮用后，可通过将杯盖盖到杯体上进行保温；

3)水杯内胆中的饮用水喝完后，重复步骤2)，通过反复在水杯内胆中加入新的饮用水，然后按动加水按钮向夹层中加水，对饮用水进行多次加热，直至水杯内胆中的饮用水不再被加热为止；

4)重复步骤1)，用微波炉加热杯体备用。

2.根据权利要求1所述的一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，其特征在于，所述吸波剂及氧化钙混合物由吸波剂和氧化钙按1:0.1～50的质量份比例混合而成。

3.根据权利要求2所述的一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，其特征在于，所述吸波剂为铁氧体吸收剂、金属微粉吸收剂或多晶铁纤维吸收剂中的一种或两种以上任意混合。

4.根据权利要求1所述的一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，其特征在于，所述杯盖的材质为不锈钢或聚丙烯塑料。

5.根据权利要求1所述的一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，其特征在于，所述水杯内胆的材质为玻璃、陶瓷或聚丙烯塑料。

6.根据权利要求1所述的一种微波化学反应储能自热杯的使用方法，其特征在于，所述反应层与夹层之间的隔板采用多孔陶瓷制作。