一种制冷制热保温饭盒的制作方法

本发明涉及日常用品领域，具体涉及一种制冷制热保温饭盒。

背景技术：

如今，随处可以听到人们谈论食品安全问题，食用由于微生物大量繁殖而变质的食物对身体的危害是巨大的，它会感染肠胃传染病，引起肠胃炎甚至造成食物中毒。在适宜的温度水分及营养条件下，微生物的繁殖是急剧的，只要温度适宜盛着食物的饭盒便是一个令微生物可以良好繁殖的小天地，微生物的最适繁殖温度大约是30-40℃，由于食物的水分和营养成分不能改变，降低温度便可以用于抑制微生物的繁殖，并且这一措施可以有效的降低食物中脂肪分解酶分解脂肪的能力，进而最大程度延迟食物的变质。纵观市面上的普通保温饭盒只是起到保温的作用，在温度下降的过程中，30-40℃的保温时间会很长，这样便会引起细菌微生物大量繁殖造成食物变质，食物不能长时间保存。因此，开发一种能够冷藏-保温-加热-再保温的饭盒是十分必要的。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种制冷制热保温饭盒，该饭盒结构简单，不仅可以制冷达到尽可能长时间保存食物的目的，同时也可以加热食物使其中的营养更好的被人体吸收。

本发明提供的制冷制热保温饭盒，包括盒体和盒盖，所述盒体和所述盒盖分别包括真空-不锈钢外层和不锈钢内层，所述盒体的真空-不锈钢外层和所述不锈钢内层在顶部边沿接合、所述盒体的真空-不锈钢外层和所述不锈钢内层之间具有第一夹层空间，所述盒盖的真空-不锈钢外层和所述不锈钢内层之间具有第二夹层空间；

位于所述盒体底部部分的第一夹层空间内由下至上依次设有第一储水材料层、第一制热蓄热层和第二储水材料层，位于所述盒体侧壁部分的第一夹层空间内设有制冷蓄热层；所述第二夹层空间内由下至上依次设有第三储水材料层、第二制热蓄热层和第四储水材料层；

所述制冷蓄热层中填充有第一相变蓄热材料，所述第一相变蓄热材料为有机蓄热材料；所述第一制热蓄热层和所述第二制热蓄热层中均填充有第二相变蓄热材料，所述第二相变蓄热材料为水合盐相变蓄热材料；

所述盒体和所述盒盖通过锁紧装置密封盖合。

优选地，所述第一相变蓄热材料是正十六碳石蜡有机蓄热材料，所述第二相变蓄热材料的主要成分是Na₂HPO₄.12H₂O晶体。

更优选地，所述第二相变蓄热材料由质量占比94-97％的Na₂HPO₄.12H₂O晶体、1-2％的防相分离剂和2-4％防过冷剂组成。

更优选地，所述防相分离剂为羧甲基纤维素，所述防过冷剂为按照质量比1:1混合而成的硼酸和硼砂的混合物。

优选地，所述第一储水材料层、所述第二储水材料层、所述第三储水材料层、以及所述第四储水材料层均由竹纤维制成。

优选地，所述盒体内还设有至少一个中空的分隔钢板，将所述盒体分隔成至少两个盛载区，所述分隔钢板内填充有第三相变蓄热材料，所述第三相变蓄热材料与第一相变蓄热材料材质相同。

优选地，所述锁紧装置包括多个通过枢轴可转动连接在所述盒盖边缘的锁扣，以及固定连接于所述盒体外壁上的多个扣板，所述锁扣与所述扣板一一对应扣合。

更优选地，所述锁扣和所述扣板的数量分别为4-6个。

本发明提供的制冷制热保温饭盒具有以下有益效果：

主要材料采用不锈钢进行加工，不锈钢真空技术已经成熟，加工难度小，蓄热材料置于不锈钢之间的夹层空间后后对间隙口进行焊接密封或使用整体成型技术，加工简便，可以大批量生产，盒盖和盒体之间的密封采用钢扣结构，相比螺纹结构加工简便，且密封性好，保证了饭盒内部与外界的隔热效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的制冷制热保温饭盒的盒体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种制冷制热保温饭盒的剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种制冷制热保温饭盒的盒体的俯视剖图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种制冷制热保温饭盒，具体如图1-3所示，包括盒体和盒盖，盒体和盒盖分别包括真空-不锈钢外层和不锈钢内层，盒体的真空-不锈钢外层和不锈钢内层在顶部边沿接合、盒体的真空-不锈钢外层和不锈钢内层之间具有第一夹层空间103，盒盖的真空-不锈钢外层和不锈钢内层之间具有第二夹层空间203；

位于盒体底部部分的第一夹层空间103内由下至上依次设有第一储水材料层108、第一制热蓄热层106和第二储水材料层107，位于盒体侧壁部分的第一夹层空间103内设有制冷蓄热层105；第二夹层空间203内由下至上依次设有第三储水材料层206、第二制热蓄热层204和第四储水材料层205；制冷蓄热层105中填充有第一相变蓄热材料，第一相变蓄热材料为有机蓄热材料；第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中均填充有第二相变蓄热材料，第二相变蓄热材料为水合盐相变蓄热材料；盒体和盒盖通过锁紧装置密封盖合。

为了更清楚的表示制冷制热保温饭盒的具体结构，具体如图1可见，图1中盒体的真空-不锈钢外层为101所指，盒体的不锈钢内层为102所指，盒体的真空-不锈钢外层和不锈钢内层之间的第一夹层空间为103所指；盒盖的真空-不锈钢外层为201所指，盒盖的不锈钢内层为202所指，盒盖的真空-不锈钢外层和不锈钢内层之间的第二夹层空间为203所指。

优选地，上述第一相变蓄热材料是正十六碳石蜡，上述第二相变蓄热材料的主要成分是Na₂HPO₄.12H₂O晶体；更优选地，上述第二相变蓄热材料由质量占比94-97％的Na₂HPO₄.12H₂O晶体、1-2％的防相分离剂和2-4％防过冷剂组成，其中防相分离剂为羧甲基纤维素，防过冷剂为硼酸和硼砂；第一储水材料层108、第二储水材料层107、第三储水材料层206、以及第四储水材料层205均由竹纤维制成，储水效果好。在第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204上下均设储水材料层，一方面上层储水材料层可以吸收第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中上层相变蓄热材料的液态水及蒸汽，下层储水材料层吸收下层相变蓄热材料的液态水；另一方面，上下储水材料层可以更快的加热食物。

上述制冷制热保温饭盒采用不锈钢的套层结构，其制冷蓄热层105内填充的正十六碳石蜡为有机相变材料，它的熔解温度为18℃，一旦温度低于18℃，其一直保持固体状态，一旦周围温度高于18℃，该石蜡会变为液态吸收并储存能量，以确保周围温度降到18℃，达到降低饭菜温度的效果；而第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204内均填充的主要成分Na₂HPO₄.12H₂O晶体为无机水合盐相变蓄热材料，无机水合盐相变蓄热材料具有比较大的熔解热和固定的熔点(实际是无机水合盐脱出结晶水的温度)，脱出的结晶水使盐熔解而吸热，为饭菜加热时发生逆过程，吸收液态水而放热再次生成无机水合盐结构；Na₂HPO₄.12H₂O晶体的熔解温度为40℃，一旦温度超过40℃，该晶体将脱出结晶水使盐熔解而存储279kJ/kg的热量，此时结晶水变为液态水流入竹纤维保存，一旦需要对食物进行加热，将饭盒进行上下摇晃，使保存于竹纤维中的液态水与生成的Na₂HPO₄接触，重新生成Na₂HPO₄.12H₂O晶体。此时，第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204将放出大量的热，实现对饭菜的加热，但是放出的热量不会超过40℃，因为Na₂HPO₄.12H₂O晶体的熔点为40℃，超过40℃它将不再发生相变，也不会吸热或放热，最终只会使食物加热至40℃，进而达到适宜人食用饭菜的温度。

由于有机蓄热材料的导热系数比水合盐相变蓄热材料的导热系数低，因此，在温度较高的食物放于饭盒时，导热系数高的Na₂HPO₄.12H₂O晶体先吸收完所需的热量，结晶水变为液态水被保存于储水材料层，之后正十六碳石蜡吸收剩余的热量，直至饭菜温度达到18℃左右，停止吸热。

此外，正十六碳石蜡的导热系数约为0.12W/(m.K)，水合盐Na₂HPO₄.12H₂O晶体由于存在水分子，导热系数约为0.7W/(m.K)。因此当降温保温时，饭菜温度可以相对较慢的进行冷却，达到持续性的低温保护。当给饭菜升温时，高导热系数的Na₂HPO₄.12H₂O晶体会快速为食物进行加热，加热与降温的速率相差大约7倍，保证了为饭菜加热时热量不会立即被制冷蓄热层105吸收，使人在就餐时温度尽可能达到40℃。

第二相变蓄热材料的主要成分为Na₂HPO₄.12H₂O晶体，质量分数为1％-2％的羧甲基纤维素的作用是充当防相分离剂，为了不会在Na₂HPO₄.12H₂O晶体发生熔解或合成时生成其他水合物，而造成水合盐相变蓄热材料不能循环使用，使该水合物的蓄热性能下降的后果。质量分数为3％左右的硼酸和3％左右的硼砂的作用是充当防过冷剂，为了稳定Na₂HPO₄.12H₂O发生相变的温度，防止温度过低或过高时才会发生相变造成储热或制热效果变差。

对于第二相变蓄热材料的组成，以质量占比94-97％的Na₂HPO₄.12H₂O晶体、1-2％的防相分离剂和2-4％的防过冷剂组成，其中防过冷剂为硼酸和硼砂的混合物。范围内的配比皆可很好的实现蓄热功能，例如第二相变蓄热材料由质量占比97％的Na₂HPO₄.12H₂O晶体、1％的防相分离剂和2％的防过冷剂组成，，防过冷剂中硼酸和硼砂的质量比为1:1，他们的组分加和为100％。

饭盒外层采用真空-不锈钢保温结构，其不锈钢导热系数为17W/(m.K)，热量可以更好的在保温饭盒内部进行传递，真空层的导热系数为0.023W/(m.K)，由于热的传递需要介质，真空结构没有任何介质，热量无法从该结构散失，该真空层的导热系数由于小于0.05W/(m.K)，可认为该结构可以有效隔绝饭盒内外的能量交换，使饭盒内部相当于绝热体系，能很好的实现饭盒的保温作用。

由于热传递有三种方式：传导、对流和辐射，其中，传导存在于食物与饭盒之间，采用真空不锈钢保温结构可以有效的阻碍热的传导进而对食物进行有效的冷却保温。对流只会存在于饭盒打开的情况，因此在饭盒打开时热量交换是非常快的，为了可以将食物保存更长时间的，盒盖和盒体之间的密封性必须良好，因此采用锁紧装置密封盖合，吃饭前尽量将盒盖盖住可以有效的进行低温保温。其次，由于饭盒内温度只有18℃，其热量以热的形式向外辐射基本上可以忽略，所以说，上述保温饭盒综合三种热传递方式尽可能的防止热所有途径的交换进而对食物进行低温保温，让食物可以尽可能的保存更长时间而不因为高温变质。

需要说明的是，上述锁紧装置分成两部分，分别设置与盒体外壁和盒盖边缘，其实现结构式多种多样的，一种优选的方案为：该锁紧装置包括多个通过枢轴可转动连接在盒盖边缘的锁扣302，以及固定连接于盒体外壁上的多个扣板301，盒盖盖合在盒体上，其锁扣302向靠近盒体外壁的方向旋转后，与扣板301一一对应密封扣合。

一般情况下，锁扣302和扣板301的数量分别为4-6个，即可满足密封要求。

具体的，对于Na₂HPO₄.12H₂O晶体和正十六碳石蜡的用量，理想情况下计算如下：

Q＝cm△t，其中Q是升高(降低)食物所需热量；C是食物的比热容，按米饭算大约是2.930kJ/(kg.K)；m是质量；△t为温度变化量；

m＝ρV，其中m是质量；ρ是食物的密度，按熟米饭算大约是0.8kg/L；V是饭盒的容积；

根据图1假设该饭盒容量为V＝S.h＝90×60×3×1000(mm)＝1620000mm³＝1.62L；

假设出锅热饭的温度为90℃，经以上公式计算得：

1.62L米饭的质量为m＝1.62L×0.8kg/L＝1.296kg

(1)降温第一阶段90℃-40℃:

Q₁＝2.930kJ/(kg.K)×1.296kg×(90-40)＝189.864kJ

而Na₂HPO₄.12H₂O晶体的熔解能量为279kJ/kg

则从热米饭降温到40℃仅需m₁＝189.864kJ/279kJ/kg＝0.681kg的Na₂HPO₄.12H₂O晶体即可。

(2)降温第二阶段40℃-18℃：

Q₂＝2.930kJ/(kg.K)×1.296kg×(40-18)＝83.54kJ

而正十六碳石蜡的熔解能量为237kJ/kg

则米饭从40℃降到18℃仅需m₂＝83.54kJ/237kJ/kg＝0.352kg的正十六碳石蜡即可。

(3)升温阶段：

Q₃＝Q₂＝83.54KJ

Na₂HPO₄.12H₂O晶体的熔解能量为279kJ/kg

则米饭从18℃升温至40℃需m₃＝83.54kJ/279kJ/kg＝0.299kg的Na₂HPO₄.12H₂O晶体。

综上计算可得，理想情况下饭盒四周和隔板中正十六碳石蜡(作用制冷)0.352kg，饭盒底部和盒盖需Na₂HPO₄.12H₂O晶体(作用制热)0.681kg。

因此，正十六碳石蜡为352g左右，Na₂HPO₄.12H₂O晶体为681g左右即可实现上述目的。

考虑到石蜡的固液膨胀性较大，固体密度为835kg/m³，液体密度为776kg/m³,计算所需正十六碳石蜡的液态体积为：V₁＝m₂/ρ₁＝0.352kg/776kg/m³＝0.454L。又考虑到由于冷却后的饭菜温度较低，外界的温度高，热量会缓慢的通过热传导的形式传递给饭菜，为了制冷蓄热层105依旧可以有效的调节饭菜的温度，吸收外界传递的热量，因此正十六碳石蜡的体积应大于0.454L，实际加工时制冷蓄热层105应有0.543kg(液态时大约0.7L)左右的正十六碳石蜡。

如图1所示，制冷蓄热层105的容积大约为：

V₂＝S.h＝(220×10×2+90×10×4)×100(mm)＝800000mm³＝0.8L。制冷蓄热层105可装约0.7L的有机蓄热材料，可以认为此尺寸设计合理。

Na₂HPO₄.12H₂O晶体的密度为1520kg/m³，计算所需Na₂HPO₄.12H₂O晶体的体积为：V₂＝m₃/ρ₂＝0.681kg/1520kg/m³＝0.000448m³＝0.448L。

未完全相变的制冷蓄热层105的含量最大约为：V＝0.7L-0.454L＝0.246L

m＝V.ρ₁＝0.246L×776kg/m³＝0.191kg

未完全相变的制冷蓄热层105完全发生相变需要的能量

Q₄＝0.191kg×237kJ/kg＝45.267kJ

由于制热蓄热层的吸收热量为189.864kJ，加热饭菜理论需消耗83.54kJ，加热未完全相变的制冷蓄热层105需消耗45.267kJ，189.964kJ远高于128.807kJ，因此Na₂HPO₄.12H₂O的含量为0.448L(0.681kg)是合理的。

设饭盒盖和饭盒底的第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204高度均为h mm

则V₂＝448000mm³＝220×110×h(mm)

计算得h＝18.51mm左右即可。

同样的，考虑外界热传导，第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中含有的Na₂HPO₄.12H₂O的体积应大于0.448L，h加工时应约为20mm。

饭盒降温升温对饭菜量的要求如下：

假设饭菜的质量为M，Na₂HPO₄.12H₂O晶体优先吸收食物的热量，让食物的温度降低为40℃，其吸收热量约为Q＝2.930kJ/(kg.K)×M kg×(90-40)＝146.5M kJ。进一步，正十六碳石蜡相变使饭菜温度降低为18℃，其吸收热量约为Q＝2.930kJ/(kg.K)×M kg×(40-18)＝64.46M kJ。

对食物升温的计算过程如下：所有正十六碳石蜡完全相变所需的能量为128.691kJ。即：146.5M>64.45M+(128.691kJ-64.45M)

计算得M>0.878kg，即所盛饭菜大于878g时，饭菜可以准确的降温和升温。所盛饭菜少于878g时，饭菜虽然可以有效的降温，但是升温效果不是很显著。

饭盒降温升温过程分析如下：

假设饭盒中的食物是满盛状态时，对食物降温的过程如下：最初该蓄热饭盒中的制冷蓄热层105、第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204都为固体状态，当90℃的饭菜置于饭盒中时，由于第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中有无机水合盐相变蓄热材料，其导热系数比有机相变材料的高，优先快速的吸收热量，Na₂HPO₄.12H₂O晶体中的部分结晶水变为液态水保存于竹纤维中，其将90℃的饭菜热量吸收至40℃时，停止吸热，理想状态下需0.681kg Na₂HPO₄.12H₂O晶体即可。进而由于制冷蓄热层105中正十六碳石蜡导热系数相对较低，且相变温度为18℃，其可继续吸收饭盒中食物的热量，此时由于第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204的Na₂HPO₄.12H₂O晶体脱出的液态水保存于竹纤维中，不存在自动调温的功能，因此正十六碳石蜡将食物的温度由40℃继续下降至18℃，理想状态下需正十六碳石蜡0.352kg即可，另外为了避免饭盒内温度低，经过较长时间外界温度会传递于饭盒内部，因此需给正十六碳石蜡一些余量，实际加工时0.543kg的正十六碳石蜡保证可以吸收更多的热量，进而达到自动降温饭菜温度的目的，使饭菜长时间保持在18℃的低温状态。

对食物升温的过程如下：当要食用饭菜时，摇晃饭盒，使保存于竹纤维中的液态水由于惯性而摇出竹纤维与Na₂HPO₄接触重新生成Na₂HPO₄.12H₂O晶体，这一过程第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204将放出大量的热为饭菜进行加热升温，理想状态下所需能量约为83.54kJ。考虑到加热前正十六碳石蜡可能未达到完全变成液态不再吸热的状态，因此Na₂HPO₄.12H₂O晶体的量应考虑正十六碳石蜡的余量所需热量为45.267kJ，而0.681kg Na₂HPO₄.12H₂O晶体吸收的热量为189.864kJ远高于加热所需的能量，因此制热蓄热层的制热效果良好。另外，考虑到外界与饭盒内部的热传导，即实际状态下所需Na₂HPO₄.12H₂O晶体的含量应多于0.681kg。

优选地，上述盒体内还设有至少一个中空的分隔钢板104，一般以1-2个为最佳，通过分割钢板将盒体分隔成2-3个的盛饭区，且分隔钢板104内填充有第三相变蓄热材料，第三相变蓄热材料与第一相变蓄热材料材质相同，均为水合盐相变蓄热材料；

这样的设置，不仅将饭菜按种类分隔，且饭菜与饭盒的接触面积大，有利于快速降温或升温。

需要注意的是，对于特定容积的饭盒，根据上面的计算，所需要的水合盐相变蓄热材料分设于第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中，总量不变。而第一相变蓄热材料和第三相变蓄热材料均为正十六碳石蜡，饭盒内不设分割钢板时，正十六碳石蜡都填充于盒体侧壁部分的第一夹层空间103内；设置分割钢板时，分设于盒体侧壁部分的第一夹层空间103内和分割钢板内，总量不变。

上述提供的制冷制热保温饭盒的优点如下：

(1)保温饭盒内部同样使用不锈钢材料无毒无公害，可以让人们不用担心饭盒受高温影响造成的材质安全问题。

(2)上述蓄热式保温饭盒的储热方式简单，只需出锅的食物放于饭盒即可有效的使Na₂HPO₄.12H₂O物质中的结晶水变为液态水，进而液态水将受重力作用流下而保存于竹纤维中来有效的储存热量。

(3)上述蓄热式保温饭盒的制冷方式简单，冬天使用十分方便，由于外界温度一般低于18℃，因此正十六碳石蜡一般都会以固体的形式存在于该饭盒中，当食物置于饭盒，两种相变蓄热材料会自动为食物调节温度，进而最终将温度稳定在18℃左右。当夏天外界温度高于18℃时，将该饭盒置于冰箱冰冻会，令相变蓄热材料变为固体，让其可以吸收能量即可用于自动调节饭盒的温度。

综上所述，在该饭盒使用前，要保证饭盒第一制热蓄热层106和第二制热蓄热层204中的Na₂HPO₄.12H₂O晶体和制冷蓄热层中的正十六碳石蜡为固体形态，以便对饭盒中的食物进行降温，前者可用于让食物温度降至40℃，后者可用于让食物温度降至18℃。

上述蓄热式保温饭盒的加热方式简单，上下摇晃饭盒即可对食物进行加热，摇晃饭盒竹纤维中的液态水由于惯性作用会流入脱水后生成的Na₂HPO₄中重新结合生成Na₂HPO₄.12H₂O晶体放出热量，保证了饭盒经过降温后温度即使很低，使人们在要品尝美食时相变蓄热材料也能为食物提供热量，最终使食物的温度达到40℃，让食物中的营养成分更好的被人体吸收。

该蓄热式保温饭盒既可以用于降温保护食物免遭微生物的大量繁殖而造成的食物变质，预防了食物变质带来的危害，又可以在人们食用食物时，对食物进行有效的加热，让人们将食物中的营养成分更好的被吸收，提高了人们的生活健康水平。且加热方式简便，不用电，不用火，只需摇一摇即可，节能环保。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。