CN109709690A - 一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置及其保护方法，包括眼镜架、绝缘外壳、纽扣电池、纵向磁场发生器、横向磁场发生器、防爆镜片、相变纳米胶囊、温度传感器、碳纳米微通道、纤维泡沫骨架和相变材料层。本发明利用相变纳米胶囊和相变材料层在相变过程中放热或吸热，避免镜片低温损坏及冷凝腐蚀，以及避免外界高温环境对眼镜镜片的过热损伤；利用纤维泡沫骨架导热系数与温度成反比的特点，进一步实现眼镜镜片低温下防冻保温、防止蒸汽冷凝，高温下防过热；通过将碳纳米微通道内单壁碳纳米管或石墨烯纳米片与磁性纳米颗粒混合，达到强化传热或抑制传热的效果；该装置具有多级保护，环境适应性强，可用于温差变化大的极端环境。

Description

一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置及其保护 方法

技术领域

本发明涉及相变蓄热及放热领域，尤其涉及一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置及其保护方法。

背景技术

现实生活中，眼镜由镜片、镜架组成。分近视眼镜、远视眼镜、老花眼镜及散光眼镜四种。随着时代的发展，眼镜的佩戴者越来越多，眼镜的使用也越发普及，然而现阶段的眼镜还存在诸多保养问题，需要避免长期阳光直射和高温(60 °C以上)放置，否则易引起镜片、镜架劣化、变质、变色等。在未来人类的社会的生存和发展足迹会遍布全球，甚至深入宇宙太空，更会面临各种极端昼夜温差的工况，配戴的眼镜则可能需要在极端低温或者极端高温下工作，这对眼镜的适用条件提出了更苛刻的要求。

然而眼镜小巧的特点，可以利用的空间不多，充分利用眼镜各个空间并实现对眼镜的保护是一种不小的挑战。随着科技的发展，相变材料技术具有相变潜热高、相变过程中温度几乎不变、熔点分布广、化学性质稳定以及耐腐蚀等优点，在蓄热及传热领域受到广泛应用，如申请号为201720757079.1的中国专利。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置及其保护方法，该基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置具有多级保护，环境适应性强，可用于温差变化大的极端环境；使用寿命长，节能、经济、环保。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，包括眼镜架、绝缘外壳、一号纽扣电池、一号纵向磁场发生器、一号横向磁场发生器、防爆镜片、二号纵向磁场发生器、相变纳米胶囊、二号横向磁场发生器、温度传感器、三号横向磁场发生器、三号纵向磁场发生器、碳纳米微通道、四号纵向磁场发生器、四号横向磁场发生器、二号纽扣电池、纤维泡沫骨架和相变材料层；所述绝缘外壳套装在眼镜架的外部，所述眼镜架内具有纤维泡沫骨架，且纤维泡沫骨架之间填充有相变材料层；所述一号纽扣电池、二号纽扣电池、一号纵向磁场发生器、一号横向磁场发生器、二号纵向磁场发生器、二号横向磁场发生器、三号横向磁场发生器、三号纵向磁场发生器、四号纵向磁场发生器、四号横向磁场发生器和温度传感器内嵌于眼镜架内，并与一号纽扣电池或二号纽扣电池连接，所述一号纵向磁场发生器、二号纵向磁场发生器、三号纵向磁场发生器和四号纵向磁场发生器设置在防爆镜片的上方或下方，所述一号横向磁场发生器、二号横向磁场发生器、三号横向磁场发生器和四号横向磁场发生器设置在防爆镜片的左侧或右侧；所述相变纳米胶囊内嵌于防爆镜片的边缘，所述碳纳米微通道内嵌于防爆镜片内，其尺寸微小、肉眼无法分辨，不会干扰视线。

优选的，所述一号纽扣电池和二号纽扣电池分别与2个防爆镜片对应布置，所述温度传感器设置在2个防爆镜片之间。

优选的，所述一号纽扣电池（3）与一号纵向磁场发生器（4）、一号横向磁场发生器（5）、二号纵向磁场发生器（7）、二号横向磁场发生器（9）通过电路连接，所述二号纽扣电池（16）与三号横向磁场发生器（11）、三号纵向磁场发生器（12）、四号纵向磁场发生器（14）、四号横向磁场发生器（15）通过电路连接，所述温度传感器（10）内嵌于眼镜架（1）内，并与一号纽扣电池（3）或二号纽扣电池（16）通过电路连接。

优选的，所述碳纳米微通道水平布置在防爆镜片内，且多个相变纳米胶囊均匀布置在防爆镜片的边缘。

优选的，所述相变纳米胶囊的外壳材料为隐身材料，用于使电磁波绕路而不会干扰视线。其数目、间距需要根据实际应用环境中昼夜时间长短、极端温度等具体情况来计算确定。

优选的，所述纤维泡沫骨架的导热系数与温度成反比，温度越低，导热系数越高；温度越高，导热系数越低。

优选的，所述碳纳米微通道由单壁碳纳米管或石墨烯纳米片组成，其内混合有磁性纳米颗粒。

优选的，所述相变纳米胶囊和相变材料层中的相变材料可为同种材料，也可为相变点不同的两种相变材料，从而适用于各种不同温差的环境。

基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置的保护方法如下：

在室温下，相变纳米胶囊和相变材料层中的相变材料均处于液态；当外部环境温度突然下降时，绝缘外壳首先作为保温的第一重屏障；接着相变纳米胶囊内的相变材料凝固放热，维持防爆镜片的温度不降低，且相变材料层内的液态相变材料持续凝固放热，受绝缘外壳的隔热作用，液态相变材料凝固时所放出的热并不向外散失，而是通过纤维泡沫骨架的导热通路，源源不断且高效地向防爆镜片供热；由于温度越低，纤维泡沫骨架的导热系数越高，导热性能越强；温度进一步降低，当温度传感器探测到外界温度降低到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池和二号纽扣电池的开关，一号纽扣电池和二号纽扣电池通过电流在一号横向磁场发生器和二号横向磁场发生器之间、以及三号横向磁场发生器和四号横向磁场发生器之间产生交替的电磁场，在磁场作用下，碳纳米微通道内的磁性纳米颗粒受磁场影响，在横向做往复运动，形成导热通路，促进相变纳米胶囊和相变材料层内相变材料凝固所释放热量的扩散，进一步控制防爆镜片的温度在低温条件下保持恒定，起到受冷保护的作用，防止蒸汽在防爆镜片表面的冷凝腐蚀，有效延长防爆镜片的使用寿命；

此后，当外部环境温度突然升高时，绝缘外壳首先作为隔热的第一重屏障；接着相变纳米胶囊内的固态相变材料熔化吸热维持防爆镜片的温度不变，且相变材料层中的固态相变材料开始熔化吸热，形成过热保护；由于温度越高，纤维泡沫骨架的导热性能越差，因此其保温性能越好；随着温度进一步升高，当温度传感器探测到外界温度升高到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池和二号纽扣电池的开关，一号纽扣电池和二号纽扣电池通过电流在一号纵向磁场发生器和二号纵向磁场发生器之间、以及三号纵向磁场发生器和四号纵向磁场发生器之间形成恒定的电磁场；在磁场作用下，碳纳米微通道内的磁性纳米颗粒被吸附在单壁碳纳米管或石墨烯纳米片的壁上，无法做自由的热运动，进一步抑制外界热量向防爆镜片热量的传递，控制防爆镜片的温度在高温条件下保持恒定，起到过热保护的作用，有效延长防爆镜片的使用寿命。

基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置可应用于任何眼镜保护领域。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）利用相变纳米胶囊和相变材料层凝固放热，对眼镜镜片保温，避免其低温损坏及相应的蒸汽冷凝腐蚀；

（2）利用相变纳米胶囊和相变材料层熔化吸热，抑制眼镜镜片短时间内温度的急剧升高，避免外界高温环境对眼镜镜片的过热损伤；

（3）利用纤维泡沫骨架导热系数与温度成反比的特点，进一步实现眼镜镜片低温下防冻、高温下防过热的功能；

（4）产生不同的磁场，通过将碳纳米微通道内单壁碳纳米管或石墨烯纳米片与磁性纳米颗粒混合，达到强化传热或抑制传热的效果；

（5）装置有温度传感器，实时检测外部环境温度并反馈，形成多级保护，环境适应性强，可用于温差变化大的极端环境；

（6）相变材料层重复性好，使用寿命长，节能、经济、环保。

附图说明

图1是本发明实施例中基于相变材料层的眼镜多级控温保护设计装置的整体结构示意图。

图2是本发明实施例中基于相变材料层的眼镜多级控温保护设计装置的剖视结构示意图。

图中：1、眼镜架；2、绝缘外壳；3、一号纽扣电池；4、一号纵向磁场发生器；5、一号横向磁场发生器；6、防爆镜片；7、二号纵向磁场发生器；8、相变纳米胶囊；9、二号横向磁场发生器；10、温度传感器；11、三号横向磁场发生器；12、三号纵向磁场发生器；13、碳纳米微通道；14、四号纵向磁场发生器；15、四号横向磁场发生器；16、二号纽扣电池；17、纤维泡沫骨架；18、相变材料层。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

如图1所示，一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，包括眼镜架1、绝缘外壳2、一号纽扣电池3、一号纵向磁场发生器4、一号横向磁场发生器5、防爆镜片6、二号纵向磁场发生器7、相变纳米胶囊8、二号横向磁场发生器9、温度传感器10、三号横向磁场发生器11、三号纵向磁场发生器12、碳纳米微通道13、四号纵向磁场发生器14、四号横向磁场发生器15、二号纽扣电池16、纤维泡沫骨架17和相变材料层18。

绝缘外壳2套装在眼镜架1的外部，一号纽扣电池3、二号纽扣电池16、一号纵向磁场发生器4、一号横向磁场发生器5、二号纵向磁场发生器7、二号横向磁场发生器9、三号横向磁场发生器11、三号纵向磁场发生器12、四号纵向磁场发生器14、四号横向磁场发生器15和温度传感器10内嵌于眼镜架1内，并与一号纽扣电池3或二号纽扣电池16连接；一号纽扣电池3与一号纵向磁场发生器4、一号横向磁场发生器5、二号纵向磁场发生器7、二号横向磁场发生器9通过电路连接，二号纽扣电池16与三号横向磁场发生器11、三号纵向磁场发生器12、四号纵向磁场发生器14、四号横向磁场发生器15通过电路连接，温度传感器10内嵌于眼镜架1内，并与一号纽扣电池3或二号纽扣电池16通过电路连接；一号纵向磁场发生器4、二号纵向磁场发生器7、三号纵向磁场发生器12和四号纵向磁场发生器14设置在防爆镜片6的上方或下方，一号横向磁场发生器5、二号横向磁场发生器9、三号横向磁场发生器11和四号横向磁场发生器15设置在防爆镜片6的左侧或右侧，一号纽扣电池3和二号纽扣电池16分别与2个防爆镜片6对应布置，温度传感器10设置在2个防爆镜片6之间；相变纳米胶囊8的外壳材料为隐身材料，多个相变纳米胶囊8均匀内嵌于防爆镜片6的边缘，碳纳米微通道13水平内嵌于防爆镜片6内，碳纳米微通道13由单壁碳纳米管或石墨烯纳米片组成，其内混合有磁性纳米颗粒，其尺寸微小、肉眼无法分辨，不会干扰视线。

如图2所示，眼镜架1内具有纤维泡沫骨架17，且纤维泡沫骨架17之间填满了相变材料层18；纤维泡沫骨架17的导热系数与温度成反比，温度越低，导热系数越高；温度越高，导热系数越低。

基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置的保护方法如下：

在室温下，相变纳米胶囊8和相变材料层18中的相变材料均处于液态；当外部环境温度突然下降时，绝缘外壳2首先作为保温的第一重屏障；接着相变纳米胶囊8内的相变材料凝固放热，维持防爆镜片6的温度不降低，且相变材料层18内的液态相变材料持续凝固放热，受绝缘外壳2的隔热作用，液态相变材料凝固时所放出的热并不向外散失，而是通过纤维泡沫骨架17的导热通路，源源不断且高效地向防爆镜片6供热；由于温度越低，纤维泡沫骨架17的导热系数越高，导热性能越强；温度进一步降低，当温度传感器10探测到外界温度降低到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池3和二号纽扣电池16的开关，一号纽扣电池3和二号纽扣电池16通过电流在一号横向磁场发生器5和二号横向磁场发生器9之间、以及三号横向磁场发生器11和四号横向磁场发生器15之间产生交替的电磁场，在磁场作用下，碳纳米微通道13内的磁性纳米颗粒受磁场影响，在横向做往复运动，形成导热通路，促进相变纳米胶囊8和相变材料层18内相变材料凝固所释放热量的扩散，进一步控制防爆镜片6的温度在低温条件下保持恒定，起到受冷保护的作用，防止蒸汽在防爆镜片6表面的冷凝腐蚀，有效延长防爆镜片6的使用寿命；

此后，当外部环境温度突然升高时，绝缘外壳2首先作为隔热的第一重屏障；接着相变纳米胶囊8内的固态相变材料熔化吸热维持防爆镜片6的温度不变，且相变材料层18中的固态相变材料开始熔化吸热，形成过热保护；由于温度越高，纤维泡沫骨架17的导热性能越差，因此其保温性能越好；随着温度进一步升高，当温度传感器10探测到外界温度升高到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池3和二号纽扣电池16的开关，一号纽扣电池3和二号纽扣电池16通过电流在一号纵向磁场发生器4和二号纵向磁场发生器7之间、以及三号纵向磁场发生器12和四号纵向磁场发生器14之间形成恒定的电磁场；在磁场作用下，碳纳米微通道13内的磁性纳米颗粒被吸附在单壁碳纳米管或石墨烯纳米片的壁上，无法做自由的热运动，进一步抑制外界热量向防爆镜片6的传递，控制防爆镜片6的温度在高温条件下保持恒定，起到过热保护的作用，有效延长防爆镜片6的使用寿命。

虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，包括眼镜架（1）、绝缘外壳（2）、一号纽扣电池（3）、一号纵向磁场发生器（4）、一号横向磁场发生器（5）、防爆镜片（6）、二号纵向磁场发生器（7）、相变纳米胶囊（8）、二号横向磁场发生器（9）、温度传感器（10）、三号横向磁场发生器（11）、三号纵向磁场发生器（12）、碳纳米微通道（13）、四号纵向磁场发生器（14）、四号横向磁场发生器（15）、二号纽扣电池（16）、纤维泡沫骨架（17）和相变材料层（18）；所述绝缘外壳（2）套装在眼镜架（1）的外部，所述眼镜架（1）内具有纤维泡沫骨架（17），且纤维泡沫骨架（17）之间填充有相变材料层（18）；所述一号纽扣电池（3）、二号纽扣电池（16）、一号纵向磁场发生器（4）、一号横向磁场发生器（5）、二号纵向磁场发生器（7）、二号横向磁场发生器（9）、三号横向磁场发生器（11）、三号纵向磁场发生器（12）、四号纵向磁场发生器（14）、四号横向磁场发生器（15）和温度传感器（10）内嵌于眼镜架（1）内，并与一号纽扣电池（3）或二号纽扣电池（16）连接，所述一号纵向磁场发生器（4）、二号纵向磁场发生器（7）、三号纵向磁场发生器（12）和四号纵向磁场发生器（14）设置在防爆镜片（6）的上方或下方，所述一号横向磁场发生器（5）、二号横向磁场发生器（9）、三号横向磁场发生器（11）和四号横向磁场发生器（15）设置在防爆镜片（6）的左侧或右侧；所述相变纳米胶囊（8）内嵌于防爆镜片（6）的边缘，所述碳纳米微通道（13）内嵌于防爆镜片（6）内。

2.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述一号纽扣电池（3）和二号纽扣电池（16）分别与2个防爆镜片（6）对应布置，所述温度传感器（10）设置在2个防爆镜片（6）之间。

3.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述一号纽扣电池（3）与一号纵向磁场发生器（4）、一号横向磁场发生器（5）、二号纵向磁场发生器（7）、二号横向磁场发生器（9）通过电路连接，所述二号纽扣电池（16）与三号横向磁场发生器（11）、三号纵向磁场发生器（12）、四号纵向磁场发生器（14）、四号横向磁场发生器（15）通过电路连接，所述温度传感器（10）内嵌于眼镜架（1）内，并与一号纽扣电池（3）或二号纽扣电池（16）通过电路连接。

4.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述碳纳米微通道（13）水平布置在防爆镜片（6）内，且多个相变纳米胶囊（8）均匀布置在防爆镜片（6）的边缘。

5.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述相变纳米胶囊（8）的外壳材料为隐身材料，用于使电磁波绕路而不会干扰视线。

6.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述纤维泡沫骨架（17）的导热系数与温度成反比，温度越低，导热系数越高；温度越高，导热系数越低。

7.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述碳纳米微通道（13）由单壁碳纳米管或石墨烯纳米片组成，其内混合有磁性纳米颗粒。

8.根据权利要求1所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置，其特征在于，所述相变纳米胶囊（8）和相变材料层（18）中的相变材料为同种材料，或者为相变点不同的两种相变材料，从而适用于各种不同温差的环境。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于相变材料的眼镜多级控温保护设计装置的保护方法，其特征在于，所述保护方法如下：

在室温下，相变纳米胶囊（8）和相变材料层（18）中的相变材料均处于液态；当外部环境温度突然下降时，绝缘外壳（2）首先作为保温的第一重屏障；接着相变纳米胶囊（8）内的相变材料凝固放热，维持防爆镜片（6）的温度不降低，且相变材料层（18）内的液态相变材料持续凝固放热，受绝缘外壳（2）的隔热作用，液态相变材料凝固时所放出的热并不向外散失，而是通过纤维泡沫骨架（17）的导热通路，源源不断且高效地向防爆镜片（6）供热；由于温度越低，纤维泡沫骨架（17）的导热系数越高，导热性能越强；温度进一步降低，当温度传感器（10）探测到外界温度降低到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池（3）和二号纽扣电池（16）的开关，一号纽扣电池（3）和二号纽扣电池（16）通过电流在一号横向磁场发生器（5）和二号横向磁场发生器（9）之间、以及三号横向磁场发生器（11）和四号横向磁场发生器（15）之间产生交替的电磁场，在磁场作用下，碳纳米微通道（13）内的磁性纳米颗粒受磁场影响，在横向做往复运动，形成导热通路，促进相变纳米胶囊（8）和相变材料层（18）内相变材料凝固所释放热量的扩散，进一步控制防爆镜片（6）的温度在低温条件下保持恒定，起到受冷保护的作用，防止蒸汽在防爆镜片（6）表面的冷凝腐蚀，有效延长防爆镜片（6）的使用寿命；

此后，当外部环境温度突然升高时，绝缘外壳（2）首先作为隔热的第一重屏障；接着相变纳米胶囊（8）内的固态相变材料熔化吸热维持防爆镜片（6）的温度不变，且相变材料层（18）中的固态相变材料开始熔化吸热，形成过热保护；由于温度越高，纤维泡沫骨架（17）的导热性能越差，因此其保温性能越好；随着温度进一步升高，当温度传感器（10）探测到外界温度升高到设定的临界温度时，触发一号纽扣电池（3）和二号纽扣电池（16）的开关，一号纽扣电池（3）和二号纽扣电池（16）通过电流在一号纵向磁场发生器（4）和二号纵向磁场发生器（7）之间、以及三号纵向磁场发生器（12）和四号纵向磁场发生器（14）之间形成恒定的电磁场；在磁场作用下，碳纳米微通道（13）内的磁性纳米颗粒被吸附在单壁碳纳米管或石墨烯纳米片的壁上，无法做自由的热运动，进一步抑制外界热量向防爆镜片（6）的传递，控制防爆镜片（6）的温度在高温条件下保持恒定，起到过热保护的作用，有效延长防爆镜片（6）的使用寿命。