一種相變儲能熱墊的製作方法

2023-12-11 02:03:02

專利名稱：一種相變儲能熱墊的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於功能性複合材料技術領域，特別涉及一種相變儲能熱墊。
背景技術：
能源利用領域中最重要的課題是節能與環保，而相變蓄能技術是利用相變材料的相變潛熱進行能量貯存(蓄熱、蓄冷)的一項新型環保節能技術，可以緩解能量雙方在時間、強度及地點上不匹配，是合理利用能源及減輕環境汙染的有效途徑，也是提高能源利用率的有效手段。利用蓄能技術，將供大於求時的能量儲存起來，供需要時使用，這樣既可以提高能源的利用率也可以緩解能源利用的緊迫性。充分利用相變潛熱蓄能成為科研領域的執佔。相變儲能材料能夠在其物相變化過程中，從外部環境中吸收熱(冷)量或向環境釋放熱(冷)量，從而實現能量的儲存和釋放。利用相變儲能材料的這種特徵，可將其應用於太陽能利用、電力的「移峰填谷」、廢熱和餘熱的回收利用、工業與民用建築供暖和空調的節能以及航空航天、紡織工業等領域。因此相變儲能材料日益受到人們的重視，具有廣泛的應用前景。國外對相變材料(PCM)的研究工作早在20世紀60年代就已經開始，當時的研究主要是以節能為目的，主要集中在無機鹽水合物方面。但無機鹽水合物材料的缺點是存在較大的過冷度和明顯的析出現象，以及周期操作下的熱穩定性問題。即使添加了成核劑和分散劑仍無法有效解決，限制了共晶鹽的應用。然而以石蠟、烷烴、脂肪酸為代表的有機物是目前國內外研究有機相變材料的重點，其優點主要表現在熱穩定性好，價格較便宜，熱貯存密度大，熱穩定性較好，無腐蝕性，無水合鹽類相變材料的過冷和相分層現象；缺點是導熱係數很低，致使其在蓄熱系統的應用中表現出傳熱性能差、蓄熱利用率低的缺點，從而降低了系統的效能，極大限制了有機相變材料的應用領域。本實用新型正是應用相變材料本身導熱性能差的特點，對這個缺點加以利用和改進，並結合化學熱力學及生理衛生學方面的知識，從改變人類傳統被動式禦寒保暖方式，轉向主動變熱調溫的方式為出發點，研製智能「相變蓄熱墊」。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種相變儲能熱墊，以改善結晶水合鹽的過冷和相分離現象，硬脂酸的導熱係數小等問題，同時使相變材料具有高強度、高導熱性、高模量、高耐劃痕、耐腐蝕、低密度、良好的柔韌性、較強的蓄熱能力等特性。除此之外，還具有操作簡單，過程易於控制，合成溫度低等優點。本實用新型提供了一種相變儲能熱墊。該熱墊由面料層，保護層和主體結構構成， 其中的主體結構由海綿層1、蓄熱層2、加熱層3、絕熱層4四部分組成，主體結構最裡層為加熱層3，加熱層3之外上層為蓄熱層2，下層為絕熱層4，絕熱層4和蓄熱層2之外為海綿層 1 ；主體結構的外圍從內到外依次為保護層5和面料層6，保護層5材料為氫綸，面料層6材
3料為棉質材料。在蓄熱層2中填充的相變儲能材料是硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的物理融合物，融合的質量比例是2 3，並同時加入質量百分比為的聚丙烯醯胺。本實用新型所採用的相變材料中，硬脂酸分子式為C18H36O2,為白色單斜晶系稜柱體，是一種以甘油酯形式存在於動物脂肪中的飽和脂肪酸。熔點一般在60-70°C之間。沸點(1標準大氣壓)為383°C。不易發生自氧化、還原、加成等化學反應。脂肪酸同時具有脫水和熱分解的性質，但熱分解脫水要在350°C以上才可以發生。硬脂酸作為常用的相變材料，具有較高的潛熱值、無過冷和析出、性能穩定等優點，是一種無毒無腐蝕性物質，缺點是導熱係數小。Na2HPO4 · 12H20,又稱作十二水合磷酸氫二鈉，白色或無色單斜晶系稜形晶體，無毒，熔點35°C左右，比重1. 52，非在強酸的環境下，不易發生化學反應。在溫度為125°C時失去全部結晶水成無水物，250°C分解成焦磷酸鈉。具有高潛熱值，蓄熱、導熱性能好等優點， 缺點是存在過冷現象。本實用新型所採用的加層海綿一是可以使人感覺到舒適，二是可以起到間接傳熱的作用。海綿的厚度視選用海綿材料的不同品質而定，一般在4-5cm。 本實用新型所採用的蓄熱材料和加熱層是熱墊的主體，加熱主要通過利用電源加熱蓄熱材料的形式，在環境溫暖舒適，不需要進行取暖的情況下，通過電源來給熱墊進行蓄熱，以保存熱量。當環境發生變化，人們需要取暖時，再通過蓄熱材料把能量傳遞給人體，實現能源的間歇式利用。為了儘量避免或減少相變過程中由於液相的流動而使材料在蓄熱層中出現不均勻而導致熱墊發熱表面的不均勻性，在蓄熱層封裝了一層起支撐作用的框架， 在一定程度上能夠固定蓄熱材料流動變形。加熱層厚度在l-2cm之間。本實用新型所採用的絕熱層材料是開孔式海綿橡膠，厚度為2_3cm，作用是在加熱和放熱的時候儘量使熱量向有用一側傳遞。本實用新型所採用的加熱膜是自製的簡單實用，廉價的薄膜。其加熱面是通過高熱阻的矽膠螺旋發熱線纏繞滌綸布面而成的加熱形式，其中發熱線部分是耐高溫，耐腐蝕， 表皮橡膠絕緣性高，熱輻射性能良好的發熱材料。整個加熱部分加熱功率為40W，表面加熱溫度在120°C時，無異常現象發生。當然，如果加熱時間過長，可以考慮在熱墊加熱膜中安裝恆溫裝置。本實用新型具有以下有益效果相變蓄熱熱墊主要是依據蓄熱紡織品具有的溫度調節功能來加工設計的。蓄熱熱墊作為積極的調節人體及周圍微氣候的生活用品，不僅適應21世紀人們追求生活的舒適性、方便快捷的需求，而且滿足了長期在外或處於較寒冷環境中的人們的保暖要求。該產品的發明突破了傳統電加熱墊等用品單純的以電取暖的觀念，從人體舒適性及安全性角度出發，使人體體溫儘量處於一種舒適的狀態，從而達到既能保暖又能改善人們休息或運動的舒適條件和方便實用要求。本實用新型中的熱墊產品經過反覆蓄放熱後其性質沒有發生變化，熱墊的穩定性非常好。熱墊產品的蓄放熱時間基本在3小時和8小時左右。熱墊表面溫度最高基本在 55°C左右，放熱最終溫度基本維持在^TC左右，在外界環境或是室內待取暖的情況下，這種溫度非常適合人體要求，具有良好的蓄放熱性能。
圖1:熱墊主體結構圖；圖2:熱墊產品結構圖；圖中，1-海綿層，2-蓄熱層，3-加熱層，4-絕熱層，5-保護層，6_面料層。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。本實用新型中的相變蓄熱材料層是硬脂酸與Na2HPO4 · 12H20的物理融合，融合的質量比例是2 3，並同時加入質量百分比為的聚丙烯醯胺。本實用新型相變蓄熱材料的潛熱及熔點的測試，可以採用差示掃描量熱計(DSC)， 測定發現硬脂酸從50°C就開始有部分融化，相變潛熱大小為200J/kg左右。Na2HPO4 · 12H20 熔點(相變溫度)為35°C，相變潛熱為246J/kg。可以看出，Na2HPO4 · 12H20的熔點和潛熱都非常適合人體自身對冷熱的感覺。而作為熱墊材料由於本身具有保溫隔熱的效果，所以， 選擇具有較高熔點的硬脂酸來調和與Na2HPO4 · 12H20的比例，以此來調和相變溫度，藉此平衡人與熱墊的接觸溫度，以達到既舒適又長期有效的作用。本實用新型中Na2HPO4 · 12H20的過冷度並不是很高，一般在10度左右，實驗表明， 硬脂酸作為Na2HPO4 · 12H20的成核劑是有效的。對於Na2HPO4 · 12H20的析出，主要是向其中加入聚丙烯醯氨作為增稠劑。通過向Na2HPO4 · 12H20加入質量百分比為的聚丙烯醯氨，能夠很好的防止Na2HPO4 · 12H20結晶時的相分離問題。本實用新型中相變蓄熱材料的製備方法如下首先用天平稱取一定量的硬脂酸和 Na2HPO4 · 12H20，按所設定的比例稱量後分放在不同的燒杯內，並在燒杯上面加蓋一個玻璃蓋片。將燒杯放在磁力加熱攪拌器上加熱融化，當硬脂酸和Na2HPO4 · 12H20分別達到自身的熔點並完全融化時，將Na2HPO4 · 12H20溶液連同玻璃蓋片上的水分採用玻璃棒引流的方式一同倒入盛有硬脂酸溶液的燒杯中，並向其中加入的聚丙烯醯胺。這時恆定磁力攪拌器的溫度不變，並以恆定的速率不停的攪拌兩種混合材料，直到最後材料混合均勻並出現膠狀為止，此時可以關掉磁力攪拌器，取出材料，整個材料的混合過程結束。對混合材料進行紅外光譜分析可知=Na2HPO4 · 12H20與硬脂酸本身並沒有發生反應，是一種物理的融合，所以混合材料的潛熱值也應該是兩者的中和。實際上，對混合材料進行DSC測試，得到混合材料的相變潛熱值為238. 4J/g，與兩種材料分別測得的值按比例吻合的很好。再次說明了這種材料只是簡單的物理融合而不存在化學反應，即各自的物理化學性質均不發生變化。本實用新型中熱墊蓄放熱性能的測試主要從溫度和時間兩個指標來加以評價。測試表明，熱墊產品的蓄放熱時間基本在3小時和8小時左右。熱墊表面溫度最高基本在55°C 左右，放熱最終溫度基本維持在26°C左右，在外界環境或是室內待取暖的情況下，這種溫度非常適合人體要求，具有良好的蓄放熱性能。
權利要求1.一種相變儲能熱墊，由面料層，保護層和主體結構構成，其特徵在於所述的主體結構由海綿層(1)、蓄熱層O)、加熱層(3)、絕熱層四部分組成，主體結構最裡層為加熱層 (3)，加熱層C3)之外上層為蓄熱層O)，下層為絕熱層G)，絕熱層(4)和蓄熱層( 之外為海綿層(1)；主體結構的外圍從內到外依次為保護層(5)和面料層(6)，保護層(5)材料為氫綸，面料層(6)材料為棉質材料。
2.根據權利要求書1所述的一種相變儲能熱墊，其特徵在於，在所述的蓄熱層( 中填充相變儲能材料。
3.根據權利要求書1所述的一種相變儲能熱墊，其特徵在於所述的海綿層(1)的厚度為4-5cm，絕熱層(4)是開孔式海綿橡膠，厚度為2-3cm，加熱層( 是由高熱阻的矽膠螺旋發熱線纏繞滌綸布面而成的自製加熱膜，厚度在l-2cm之間。
專利摘要本實用新型提供了一種相變儲能熱墊，屬於功能性複合材料技術領域。相變蓄熱材料作為一種新式的能源利用形式，本身具有過冷、析出和導熱係數低等缺點。本實用新型針對相變材料本身的缺點加以利用和改進，並結合化學熱力學及生理衛生學方面的知識，發明了一種相變儲能熱墊。該熱墊產品由面料層、保護層、海綿層、蓄熱層、加熱層、絕熱層構成。蓄熱層材料的製備是本實用新型的關鍵所在。蓄熱層為硬脂酸與Na2HPO4·12H2O的物理融合，融合的質量比例是2∶3，並同時加入質量百分比為1％的聚丙烯醯胺，彌補了有機與無機兩種材料自身的缺點。該熱墊產品的穩定性非常好，具有良好的蓄放熱性能。既能保暖又能改善人們休息或運動的舒適條件和方便實用要求。
文檔編號C09K5/06GK202063869SQ201020670790
公開日2011年12月7日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者唐志偉, 師明星, 張宏宇, 陳志峰 申請人:北京工業大學