一种固、液复合相变速降温微波加热恒温杯的制作方法

本实用新型涉及一种日常使用的保温杯，尤其是涉及一种复合相变速降温恒温杯。

背景技术：

保温杯一般是由陶瓷或不锈钢加上真空绝热层做成的盛水的容器，通常由杯体及杯盖两部分组成。为方便携带，杯盖与杯盖采用特殊结构及密封件密封严实。真空绝热层通过反射及真空绝热作用，能使装在内部的水及饮品等液体延缓散热，以达到较长时间保温的目的。但市面上的形形色色的保温杯存在这样的问题：如果初始装入的饮品温度较高，比如把开水装入保温杯保温，前1-3小时还是太烫，无法直接饮用；如果初始装入40-50℃的温水，虽然一开始可以直接饮用，但2-3小时后温度降低到非舒适温度。总之，市面上现有的各种保温杯总存在着诸多不便之处。

除了真空保温方式，新兴的相变保温效果显著，相变保温利用相变材料的相变潜热达到保温效果，与真空保温相比，其具有更长的保温时间。目前所用的相变材料多为石蜡（熔点在50-60℃），石蜡具有熔点可调、相变潜热大、价格低廉的优点。但石蜡热导率低，用于相变保温时热传递较慢，因而也存在难以将热饮迅速降至适饮温度的问题。

无论是真空保温方式还是相变潜热保温方式，均不能解决长时间保温的问题。更无法解决由使用者自行确定保温温度的目的。虽然市面上有车载加热水杯，USB接口加热水杯等类型的产品，但均采用电流流过导体的“焦耳效应”产生的热量进行加热，效率十分低下，并且需要外接电源才能工作，无法实现便携方式下的自动加热。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术不足，提出了一种固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，采用固态半导体元件GaN（氮化镓）功率放大管对微波信号源进行放大，采用分布式多窗口杆状天线系统进行微波加热，能根据设定的温度长时间保温。

采用无机水合盐复合相变液体与低熔点相变合金结合使用用于快速降温，能快速将高温液态饮品（如开水、牛奶、果汁、咖啡等）降温到适于饮用的温度。

本实用新型所采用的技术方案：

一种固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，包括杯盖（101）、杯体（102）以及杯座（103），所述杯盖（101）与杯体（102）密封连接，所述杯体（102）包括内杯壁（220）、中杯壁（206）以及外杯壁（203），所述内杯壁（220）的内部空腔构成饮品容积腔体，内杯壁（220）与中杯壁（206）之间的密闭空腔填充无机水合盐复合相变液（204）构成相变液加热腔体，所述相变液加热腔体内设有1个或多个分布式杆状微波天线（205），所述分布式杆状微波天线（205）顶部设有用于测量无机水合盐复合相变液温度的温度传感器（219），所述杯座（103）内设有固态微波功率源（210）、供电部件（212）及控制系统，所述分布式杆状微波天线（205）与固态微波功率源（210）及控制系统电连接，所述温度传感器（219）输出信号接入所述控制系统。

所述的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，所述内杯壁（220）底部与中杯壁（206）底部之间的密闭空腔设计为相变合金快速降温夹层，所述相变合金快速降温夹层内置低熔点相变合金（218），所述中杯壁（206）底部与相变合金快速降温夹层连通设有注入孔及封闭装置（216）。

所述的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，相变液加热腔体内的分布式杆状微波发射天线（205）的杆身设有1个或多个微波辐射发射窗口（207）；所述供电部件（212）设在杯座（103）内固态微波功率源下方。

所述的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，固态微波功率源（210）采用固态GaN微波源，所述杯座（103）内固态GaN微波源上部设有1个或多个微波同轴电缆输出接头（209）与分布式杆状天线（205）的RF同轴电缆连接器（208）相连；固态GaN微波源底部带有金属制屏蔽罩，所述金属制屏蔽罩上带有散热翅片（211）用于微波功率源的散热。

所述的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，固态GaN微波功率源由信号源（301）、预放大器（302）、功率分配器（303）、1路或多路GaN功率放大管（304）及功率分配器平衡负载（305）组成，信号源（301）由PLL及VCO构成的本地振荡电路产生微波信号，所述微波信号经过预放大器（302）及功率分配器（303）分配为1路或多路微波信号送到GaN功率放大管（304）进行功率放大，放大后的1路或多路大功率微波信号通过RF输出模块（306）与1个或多个分布式杆状微波发射天线（205）相连，馈送大功率微波信号至相变液加热腔。

所述的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，包括无线充电部件（104），所述供电部件（212）及无线充电部件（104）共同构成恒温杯供电部分；供电部件（212）由充电接收线圈（214）、接收控制器模块（311）、充放电控制器模块（312）、锂电池组模块（215）组成；无线充电部件（104）由市电输入模块（318）、DC-DC-AC转换模块（317）、发射控制器模块（316）、充电发射线圈（314）构成。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型固、液复合相变速降温恒温杯，采用无机水合盐复合相变溶液与低熔点相变金属组合使用的降温方式，能快速将高温（80-90℃）液态饮品（如开水、牛奶、果汁、咖啡等）降温到适于饮用的温度（50-60℃），使用方便。利用低熔点相变合金相变潜热大，导热能力强，融化迅速的特点为热饮品快速降温，并利用其凝固过程中的放热达到长时间保温的效果。相变金属用于快速降温及储热，相变溶液用于辅助降温及储热。

2、本实用新型固、液复合相变速降温恒温杯，方便携带，使用方便，使用体验效果佳，克服了快速降温全部采用相变金属带来的重量大、成本高的缺点。因为相变合金的比重较大，因此，本实用新型只是恒温杯底部设置部分相变合金，在恒温杯体外部夹层腔里采用无机水合盐复合相变液进行辅助降温储热，同时无机水合盐复合相变液里的水分可作为微波加热及传热的介质。

3、本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，使用无机水合盐复合相变液体及低熔点相变合金用于快速降温，并采用固态半导体元件GaN（氮化镓）功率放大管对微波信号源进行放大，利用分布式多窗口杆状天线系统进行微波加热，不但能快速将高温液态饮品降温到适于饮用的温度，并能根据设定的温度长时间保温。恒温杯内腔外侧相变液加热腔里布设有带多窗口的杆状天线，并使用固态微波源进行驱动。当温度低于设置的温度时，自动加热无机水合盐复合相变液，达到长时间精确控温的目的。

4、本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，固态微波源采用GaN（氮化镓）半导体功率放大管，工作电压低，由内置锂电池供电，为方便使用及携带，采用无线充电方式给锂电池充电。采用低电压工作的GaN（氮化镓）半导体微波功率器件来构成微波功率模块，以便采用锂电池供电工作。采用微波加热相变液的中的水分，充分利用微波对水的快速高效加热作用，避免传统的电加热的低效和时间长。采用无线充电方式充电，充电时无需电源连接线，使用更加方便。

采用1路或多路GaN（氮化镓）半导体功率放大管构成微波功率源，小功率微波信号经GaN（氮化镓）半导体功率放大管放大后，无需功率合成，分别采用1路或多路RF输出，可简化微波功率源结构，无需高成本的微波功率合成器。

5、本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，提出了采用多发射窗口的杆状分布式天线，无需运动部件，便于精确控制发射功率进而达到控制饮品温度，达到高效精确长时间的保温效果。在具体的实施实例中，采用四路杆状微波发射天线单元，每路天线单元的功率及频率均可通过控制系统独立调节。天线杆身开有一个或多个微波辐射窗口，可在相变液加热腔中形成均匀微波场分布，进而形成均匀的温度场。

附图说明

图1是本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯结构示意图；

图2为本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯电路结构示意图；

图3为无线充电式固、液复合相变速降温微波加热恒温杯外形结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1，本实施例固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，包括杯盖101、杯体102、杯座103，所述杯盖101与杯体102密封连接，所述杯体102包括内杯壁220、中杯壁206以及外杯壁203，所述内杯壁220的内部空腔构成饮品容积腔体，内杯壁220与中杯壁206之间的密闭空腔填充无机水合盐复合相变液204构成相变液加热腔体，所述相变液加热腔体内设有1个或多个分布式杆状微波天线205，杆状微波天线205顶部设有用于测量相变液温度的温度传感器219，相变液加热腔体下方的杯座103内设有固态微波功率源210、供电部件212及控制系统，所述杆状微波天线205与固态微波功率源210及控制系统电连接，所述温度传感器219输出信号接入所述控制系统。

实施例2

参见图1，本实施例的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，与实施例1不同的是，内杯壁220底部与中杯壁206底部之间的密闭空腔设计为相变合金快速降温夹层，所述相变合金快速降温夹层内置低熔点相变合金218，中杯壁206底部与相变合金快速降温夹层连通设有注入孔及封闭装置216。

所述相变液加热腔体内的分布式杆状微波发射天线205的杆身设有1个或多个微波辐射发射窗口207；供电部件212设在杯座103内固态微波功率源的下方。

实施例3

参见图1、图2、图3，本实施例的相变速降温微波加热恒温杯，与实施例1或实施例2不同的是，所述固态微波功率源210采用固态GaN（氮化镓）微波源，杯座103内固态GaN微波源上部设有1个或多个微波同轴电缆输出接头209与分布式杆状天线205的RF同轴电缆连接器208相连；固态GaN微波源底部带有金属制屏蔽罩，所述金属制屏蔽罩上带有散热翅片211用于微波功率源的散热，固态GaN微波源下方为供电部件212。

实施例4

参见图1、图2、图3，本实施例的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，与实施例1、实施例1或实施例3不同的是，固态GaN微波功率源由信号源301、预放大器302、功率分配器303、1路或多路GaN功率放大管304及功率分配器平衡负载305组成，信号源301由PLL及VCO构成的本地振荡电路产生2450±50MHz的微波信号，经过预放大器302成为小功率微波信号，小功率微波信号经过功率分配器303，分配为1路或多路微波信号送到GaN功率放大管304进行功率放大，经过放大后的1路或多路大功率微波信号直接通过RF输出模块306，RF输出模块306为同轴电缆传输线，与1个或多个分布式杆状微波发射天线205相连，馈送大功率微波信号至相变液加热腔。

实施例5

参见图1、图2、图3，本实施例的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，与前述各实施例不同的是，包括无线充电部件104，所述供电部件212、无线充电部件104构成恒温杯的供电部分。供电部件212由充电接收线圈214、接收控制器模块311、充放电控制器模块312、锂电池组模块215等部分路成。无线充电部件104具体由市电输入模块318、DC-DC-AC转换模块317、发射控制器模块316、充电发射线圈314等构成。

实施例6

参见图1、图2、图3，本实施例的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，与前述各实施例不同的是，控制系统由控制电路、温度显示模块、触摸控制模块、蓝牙通讯模块及温度传感器组成；当触摸控制模块被触摸激活后，通过转动杯座103带动内部的数字电位器进行温度预设；当触模控制模块未被触摸激活时，通过蓝牙通信模块进行温度设置。

杯盖101上有按压式开启式杯盖107。杯体102上设有电容式触摸触发的按钮106，按钮106上设有恒温杯logo。杯座103上设有用于的显示温度的OLED显示屏105。

当触摸106按钮时，会激活控制系统，控制OLED的内容显示。控制系统激活后，可以通过安装有APP的手机或是平板电脑以蓝牙通讯的方式设置恒温杯保温温度，也可以通过转动杯座103的方式进行手动设置。转动杯座103时，逆时针转动是减小温度，顺时针转动是增大温度。保温温度设置范围为40-60℃，保温温度设置间隔为1℃。

当106按钮触摸激活后，OLED显示屏105将交替显示预设温度和当前温度以及当前电量和低电压提醒等信息。显示3秒后，自动熄灭以节省电池电量。

采用蓝牙通讯的方式，使得智能手机可通过专用的APP程序设定保温温度及显示当前饮品温度，电池电量及低电量告警等信息。

采用触摸控制按钮用来激活控制系统及杯身的显示屏，既达到显示相应信息，也达到省电的目的，延长锂电池使用寿命。

采用转动杯座的手动设置保温温度的方式，可以方便在旅行、外出的情况，不使用智能手机即可设定保温温度，进一步提升了使用的便利性。

实施例7

参见图1、图2、图3，本实施例的相变速降温微波加热恒温杯，杯盖101通过内螺纹与杯体102上部外螺纹连接，上部接合部位有乳胶材质密封圈保持密封。杯体102由内杯壁220，中杯壁206及外杯壁203构成三层结构圆柱形。内杯壁220的内部空腔构成恒温杯的饮品腔体容积250ml、350ml、500 ml或750ml等。

内杯壁220与中杯壁206构成相变液加热腔体。相变液加热腔体内充有无机水合盐复合相变液204及1个或多个分布式杆状微波天线205。杆状微波天线205顶部设有温度传感器219用于测量相变液温度，进而间接测量饮品腔温度给控制系统进行加热控制及显示。杆状微波天线205身部设有1或多个微波发射窗口，尾部设有与固态微波发生器210对接的RF同轴电缆连接器208。内杯壁220底部与中杯壁206底部构成相变合金快速降温夹层，夹层内置有低熔点相变合金218，并在夹层底面中心设有注入孔及封闭装置216。

固态GaN（氮化镓）微波功率源设在杯座103内，上部设有1个或多个微波同轴电缆输出接头209。209通过同轴电缆与分布式杆状天线205的RF同轴电缆连接器208相连。控制电路及传感电路、显示电路及蓝牙通信电路均设于杯座103内部。固态微波功率源210底部带有金属制屏蔽罩，屏蔽罩上带有散热翅片211用于固态微波功率源210散热。

GaN（氮化镓）微波功率源由信号源301、预放大器302、功率分配器303、1路或多路GaN（氮化镓）功率放大管304、及功率分配器平衡负载305组成。

信号源301由PLL（锁相环）及VCO（压控振荡器）构成的本地振荡电路产生2450±50MHz的微波信号，经过预放大器302成为小功率微波信号。小功率微波信号经过功率分配器303，分配为1路或多路微波信号送到GaN（氮化镓）功率放大管304进行功率放大。经过放大后的1路或多路大功率微波信号直接通过RF输出模块306，馈送至相变液加热腔。RF输出模块306为同轴电缆传输线，与1个或多个分布式杆状微波发射天线205相连。分布式杆状微波发射天线通过杆身上设置的1个或多个发射窗口辐射微波，加热相变液进行保温。达到预设的保温温度时，自动停止加热。

本实用新型实施例中采用4个杆状微波发射天线，RF输出模块306优选为四路输出，分别对应RF输出1、2、3、4。杆状微波天线205置于内杯壁220与中杯壁206构成的相变液加热腔体内。杆状发射天线205杆身上的发射窗口207优选为4个。

实施例8

参见图1、图2、图3，本实施例的固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，与实施例7不同的是，采用无线充电部件104，所述供电部件212、无线充电部件104构成恒温杯供电部分。供电部件212由充电接收线圈214、接收控制器模块311、充放电控制器模块312、锂电池组模块215等部分路成。无线充电部件104具体由市电输入模块318、DC-DC-AC转换模块317、发射控制器模块316、充电发射线圈314等构成。

供电部件212中的充电接收线圈310在接收控制器311的控制下，将接受充电发射线圈314发射的高频电磁波，经过充放电控制器312模块给锂电池组215充电。锂电池组215通过供电变换电路分别给GaN（氮化镓）微波功率源0-50V的工作电压以及控制系统提供所需的直流工作电压。无线充电的接收线圈214及带无线充电控制电路的锂电池215设于杯座103内，用于给恒温杯的微波加热及控制电路板供电。GaN微波功率源210置于供电部件212之上，供电部件212及GaN（氮化镓）微波功率源210结构详见图3。

将恒温杯置于无线充电部件上时，无线充电部件内部的发射控制器将进行异物检测。检测通过后，市电输入模块318经过DC-DC-AC转换模块将市电电压转为适合无线发射的高频电磁波，在发射控制器模块316的控制下经过充电发射线圈314发射到空气中。

控制系统由控制电路、温度显示OLED屏、触摸控制模块、蓝牙通讯模块及温度传感器组成。当触摸控制模块被触摸激活后，温度显示OLED屏及杯座103的手动设动充置被激活。此时OLED显示屏将交替显示预设保温温度、当前温度及剩余电量等信息，可以通过转动杯座103带动内部的数字电位器进行温度预设。顺时针转动杯座为增加预设温度，逆时针转动为减少预设温度。温度调节间隔为1℃。当触模控制模块未被触摸激活时，可通过蓝牙通信模块与专用手机APP进行通信，并进行温度设置。同时手机APP也通过蓝牙通讯模块获得当前饮品温度、预设的保温温度、剩余电量等信息。

内杯壁220、中杯壁206均采用食品级SU304不锈钢，易于清洁，也有效防止无机水合盐复合相变液及低温相变合金的侵蚀。外杯壁203可采用经表面处理的SU304不锈钢或是铝合金材料或是食品级聚丙烯等常见材料。外杯壁203可为空心或实心结构。

本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，控制系统通过调节VCO的可变电容值来调节本地振荡电路的工作频率在2450±50MHz 范围内，并控制供电部分向1至4路GaN（氮化镓）功率管304提供0-50V工作电压，并通过工作电压的调节变化，控制GaN（氮化镓）功率管304的输出功率。

数字式温度传感器219设于杆状微波天线205顶端。温度传感器测温范围为-55℃~+125℃精度为±0.5℃，并直接输出数字信号给控制系统作为温度控制及显示饮品温度使用。

本实用新型实施例中的无机水合盐复合相变溶液204优选为三水醋酸钠/甲酰胺复合相变材料的饱和溶液。无机水合盐相变材料采用三水醋酸钠，添加改性剂甲酰胺与三水醋酸钠形成低共融体，以降低相变温度；添加十二水磷酸氢二钠作为成核剂以解决过冷问题，添加聚乙烯醇作为增稠剂解决相分离问题。

相变液溶质的质量配比优选为三水醋酸纳70%、甲酰胺26%、十二水磷酸氢二钠2%、聚乙烯醇2%。此质量配比的各组份经共融形成的复合相变材料的熔点为40.88℃。

本实用新型实施例中内置的低熔点相变合金218为铋铟锡铅镉五元合金，质量配比优选为铋（Bi）41.5%、铟（In）17.5%、锡（Sn）11%、铅（Pb）22%、镉（Cd）8%。此配比的五元相变合金熔点为40℃。

本实用新型固、液复合相变速降温微波加热恒温杯，采用无机水合盐复合相变材料与低熔点相变合金材料组合使用，充分利用相变合金材料高相变潜热、导热率高等特点，达到快速降温的目的。而搭配使用价格低廉的无机水合盐复合相变材料的水溶液用于辅助降温，相对于完全采用低熔点相变金属用于降温，降低了恒温杯成本，同时也减轻了重量。采用无机水合盐复合相溶液与相变金属在降温时吸收热量，在饮品温度降低时放出相变潜热用于保温，无机水合盐复合相溶液同时作为保温时的加热介质。当放热完成，饮品温度进一步降低时，采用微波加热方式保温至设定的温度。能快速将热饮（最高可达100℃）迅速（约60秒）降温至适合饮用的温度（40℃-60℃与饮品种类相关），并通过微波加热长时间保持恒定温度。

固态微波源采用GaN（氮化镓）半导体功率放大管，工作电压低（直流50V），可以采用内置电池供电。相对于传统磁控管微波发生器所需的4000伏高压，可省于复杂昂贵的高压产生装置，成本更低、安全性更高。固态微波源采用GaN（氮化镓）半导体功率放大管，比LDMOS（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor，横向扩散金属氧化物半导体）半导体功率放大管效率提高10%，功率密度提高3-4倍，可使天线体积极小，进一步减小相变液加热腔的体积，使得恒温杯体积可与普通保温杯相当。当温度进一步降低时，无机水合盐复合相变液及低熔点相变合金的显热及潜热释放完毕时，采用微波热效应加热无机水合盐复合相变溶液里的水分，避免了采用“焦耳效应”的传统电加热方式时间长，效率低的缺点，达到长时间保温目的。