相变储能合金及相变储能杯的制作方法

本发明涉及一种相变储能合金及相变储能杯。特别是一种利用相变储能技术实现快速冷却和加热的保温杯，这种相变储能杯可以根据需求将杯中的饮用水快速达到并在长时间保持预定的适宜饮用温度。

背景技术：

自然界中绝大多数材料可以在其物相变化过程中，从环境中吸收热(冷)量或向环境中放出热量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给失配的目的，这种材料被称为相变储能材料。利用相变储能材料作为调控和解决能量供求在时间和空间上不匹配矛盾，从而提高能源利用率，是当前环保新能源技术的研究热点之一。基于相变储能材料的商业化应用开发的方向主要包括建筑材料、农业大棚、IT器件制冷，太阳能热水器等。目前，很多民用品也开始使用相变储能技术，特别是容器产品，比如水杯、奶瓶等。

相变储能杯是指使用相变储能材料作为水杯的快冷、加热介质，达到使水杯中的热水快速降温到某一适宜饮用的温度的目的，也可以释放能量使冷水加热至饮用温度。目前市场上的相变储能杯使用的相变储能材料包括无机水合盐相变材料和有机储能材料。但是，这两类传统的相变储能材料都有个明显的缺点：热传导率过低。无机水合盐的热导率一般都低于1W/mK，而有机相变材料的热导率更是不高于0.3W/mK。过低的热导率将会显著的影响该相变储能材料的使用效率，使得这种相变储能杯的应用体验达不到最佳的效果。

为了改善热导率过低带来的升/降温速率过低问题，依米康等公司提出了使用镓基低熔点合金作为相变储能材料。很显然，镓基低熔点合金相变储能材料的热传导率达到15W/mK以上，显著高于无机水合盐相变材料和有机储能材料。但是，使用低熔点合金作为储能材料带来两个问题：1)低熔点合金密度较高，作为相变储能材料使用时，单位重量的能量密度较低；2)相对而言，低熔点合金的价格较高，不利于大规模的推广。此外，镓基合金在液态下对很多金属都存在腐蚀作用，带来一定的安全隐患。

因此，研究合适的相变储能结构，解决传统相变储能材料的低热导率和低熔点合金的高密度和成本的矛盾，从而开发性能优异且成本适当的相变储能杯，使其真正得到市场的认可和推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种相变储能合金及相变储能杯。

本发明所采用的技术方案是：相变储能合金，它由以下重量百分比的组份组成：

锡Sn 13.5％～15.0％；

铟In 7.5％～9.5％；

铅Pb 23.7％～25.8％；

镉Cd 7.8％～9.5％；

铋Bi 40.0％～45.0％。

所述相变储能材料的热导率为20-25W/m·K。

相变储能杯，包括有导热内胆和隔热外层，且所述导热内胆和隔热外层之间形成密闭空腔，所述导热内胆外壁上设置有整体位于密闭空腔内的导热管，该导热管内填充有前述的相变储能合金，所述密闭空腔内填充有无机水合盐相变材料。

所述无机水合盐相变材料为CH3COONa·3H2O。

所述导热管呈螺旋形紧贴缠绕于导热内胆外壁上。

所述导热管由若干同轴缠绕于导热内胆外壁上、且相互间隔布置的环形管组成，且各环形管紧贴导热内胆外壁。

所述导热管横截面呈矩形，该矩形截面在导热内胆高度方向的长度h和径向上的长度l分别为0.3cm～0.5cm和0.8～1.2cm；导热管的缠绕匝数为8-15匝；导热内胆的半径r₀为2-2.8cm；无机水合盐相变材料的填充高度h₀为12.0-15.0cm，导热管外壁与隔热外层内壁之间的距离d为0.1cm～0.3cm。

所述相变储能杯的储水重量m_水、体积V1与相变储能体系重量m_体系、体积V2存在以下线性关系：

m_水＝km_体系，V1＝KV2；

式中，k取值为1.0-1.2，K取值为3.7-4.3；

所述相变储能体系重量m_体系为所述相变储能合金的重量和所述无机盐水合物相变材料的重量之和，体积V2为所述相变储能合金的重量和所述无机盐水合物相变材料的体积之和。

本发明的有益效果是：1、本发明通过结构设计，即在导热内胆外壁上设置导热管，该导热管内填充相变储能合金，密闭空腔内填充无机水合盐相变材料，将具有高热传导的相变储能合金和高能量密度的无机水合盐相变材料相结合形成能量密度和热传导俱佳的复合相变储能体系，使得高温介质的能量传导在相变储能合金与无机水合盐相变材料中达到平衡，从而获得最佳的热传导效率，同时整个储能体系的体积和重量也得到优化。2、通过对尺寸的配合调整，使得相变储能合金与无机水合盐相变材料的热传导界面与热传导距离的比例关系与各自的热量吸收重量相匹配，达到更佳的能量吸收效率。

附图说明

图1是本发明储能杯结构示意图。

图2是图1中每个能量吸收单元结构示意图。

图3是本发明五组实施例及完全填充水合盐相变材料的保温杯中添加热水，水温随时间的变化的状态图。

图4是在图3基础上倒空保温杯中水后，向各保温杯内倒入20℃的冷水后，水温随时间的变化的状态图。

具体实施方式

本发明一种相变储能合金，它由以下重量百分比的组份组成：

锡Sn 13.5％～15.0％；

铟In 7.5％～9.5％；

铅Pb 23.7％～25.8％；

镉Cd 7.8％～9.5％；

铋Bi 40.0％～45.0％；

其液态状态下的热导率为20W/m·K～25W/m·K。

五组Bi-Sn-Pb-In-Cd相变储能合金成分配比和性能参数见下表：

表中各组分后面的数值代表其重量百分比。

如图1所示，本发明一种相变储能杯，包括有导热内胆1和隔热外层2，且所述导热内胆1和隔热外层2之间形成密闭空腔，所述导热内胆1外壁上设置有整体位于密闭空腔内的导热管3，该导热管内填充有前述相变储能合金(组分配比为：Sn，14.2％；In，8.5％；Pb，24.1％；Cd，8.9％；Bi，44.3％)，所述密闭空腔内填充有无机水合盐相变材料，所述无机水合盐相变材料为CH3COONa·3H2O。

所述相变储能合金和无机水合盐相变材料的性能如下表所示：

所述相变储能杯的储水重量m_水、体积V1与相变储能体系重量m_体系、体积V2存在以下线性关系：

m_水＝km_体系，V1＝KV2；

式中，k取值为1.0-1.2，K取值为3.7-4.3；

所述相变储能体系重量m_体系为所述相变储能合金的重量和所述无机盐水合物相变材料的重量之和，体积V2为所述相变储能合金的重量和所述无机盐水合物相变材料的体积之和。

本发明设计的饮用水目标温度为58℃。

开水倒入杯中，按水温95℃计算，降至58℃所需释放能量为：

Q＝cmΔt

其中，c为水的比热，m为水的质量，⊿T为水温的变化；

m＝ρ·πr²h，r和h分别为水杯内壁半径和高度，单位为cm。

设定为300g，则有Q＝46.6kJ

吸收这些能量，需要的两种相变材料的重量分别为m1和m2，初始温度为20℃，则相变储能合金的能量吸收值为：

Q1＝cmΔT+mΔH＝104.9·m1

无机水合盐相变材料的能量吸收值为：

Q2＝387.6·m2

总的能量平衡为：Q＝Q1+Q2，即：104.9·m1+387.6·m2＝46.6kJ

相变储能体系(相变储能合金+无机水合盐相变材料)总的体积为：

本发明兼顾两种储能材料的重量和体积，设定的重量范围为：

相变储能合金质量m1范围为：50～100g，无机水合盐相变材料的质量m2范围为：75～105g；获得的相变储能体系总的重量范围为：150～180g(针对300ml水量设计的相变储能体系重量范围，如果水量变化，储能系统重量也相应变化)；总的体积范围为：70～80mL。这整个热储存过程中，相变储能合金的热量存储值范围为：5200J～10500J，水合盐相变材料的热量存储值范围为：29000J～41000J。

热传导指单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。显然，热能的能量传输量与导热界面面积成正比、与热传导距离成反比。本发明中复合储能体系中选用的两种相变储能材料热传导率分别为23.5W/m·K和0.5W/m·K，在同样的界面面积和传导距离条件下传热的比例为47:1，必须通过界面面积和热传导距离的设计来弥补，设计的目标是降低相变储能合金与无机水合盐相变材料的热传导界面比例和无机水合盐中的热传导距离。

为了简化计算，每个能量吸收单元可以分解为图2所示结构。

相变储能合金的能量吸收值为104.9·m1，传输界面面积为:A1＝2πr₀h·n，其中r₀为水杯导热内胆1半径，h为单圈铜导热管高度(即导热管矩形截面在导热内胆高度方向上的长度)，n为导热管3的缠绕匝数；

无机水合盐相变材料的能量吸收值为387.6·m2，其热源包括水杯直接传输和相变储能合金传输两个部分，传输的界面面积为：其中r₀为水杯导热内胆1半径，r₁为包裹相变储能合金的铜圈半径(即导热管外圈半径)，h₀为整个无机水合盐相变材料的填充高度(由于密闭空腔内全部填充，因此该高度也是密闭空腔的高度)。

本发明中，所述水杯导热内胆1的半径r₀范围是2.0～2.8cm，所述导热管3横截面呈矩形，该矩形截面在导热内胆1高度方向的长度h和径向上的长度l分别为0.3cm～0.5cm和0.8～1.2cm；铜导热管缠绕匝数n的范围为8～15；无机水合盐相变材料的填充高度h₀为12.0-15.0cm(由于密闭空腔内全部填充，因此该高度也是密闭空腔的高度)，导热管3外壁与隔热外层2内壁之间的距离d为0.1cm～0.3cm。由此获得的无机水合盐相变材料与相变储能合金的热传导界面比例关系范围约为：同时，从相变储能合金向无机水合盐的横向热传导距离仅为0.1～0.2cm，即相变储能合金与无机水合盐的热传导距离的比例约为：考虑到相变储能合金与无机水合盐的能量吸收比例范围在1:3～1:8之间，因此从理论上推断，尽管两者的热传导率比例为47：1，相变储能合金与无机水合盐相变材料完成各自的能量吸收需要的热传导时间可以接近平衡的状态。

本发明以储存或释放的能量值为基准，该值与水的重量、体积(内胆尺寸)成正比，也和相变储能体系成正比。比如：300mL的热水对应一个范围的储能体系重量范围；那么理论上，600mL容量，储能体系重量范围也就翻一番。

本发明通过结构设计，使得相变储能合金与无机水合盐相变材料的热传导界面与热传导距离的比例关系与各自的热量吸收重量相匹配，达到最佳的能量吸收效率。

本发明所采用的Bi-Sn-Pb-In-Cd五元相变储能合金的制备方法为：先按配方配比Sn-In-Pb-Cd-Bi五元合金，然后以真空感应熔炼的方式熔炼合金。将配料放入熔炼坩埚之后，对真空感应熔炼炉进行抽真空处理使炉内压强低于5*10^-3Pa，然后向真空感应熔炼炉内加入惰性气体(氮气或者氩气)作为保护气体，加压至0.5-0.8个大气压，开始通电熔炼使其完全熔化。熔炼完毕后，降温至室温状态，然后从炉中取出熔炼获得的合金。

本发明相变储能杯的加工方法：根据杯体内胆1的尺寸，加工好不同直径宽度的铜导热管3，然后准备好水浴，水浴温度为80℃～100℃，将五元合金水浴液化，注入到铜导热管3中，并对铜导热管3进行封口处理，套紧在内胆1外壁上。然后将套有铜导热管3的内胆1放入隔热外层2中，在内胆1和隔热外层之间形成一密闭空腔，隔热外层2由隔热材料制成，具有阻止杯内外能量交换的作用，最后在密闭空腔内灌入液化的无机水合盐相变材料，自然冷却凝固后，将整个杯体封口，制成具有相变储能功能的水杯。

下面结合具体实施例进一步描述本发明。

共进行了5组实施例，见下表：

分别将5组实施例及完全填充水合盐相变材料的杯中添加热水，并统计水温随时间的变化，如图3所示；随后往杯中注入20℃的冷水，测量水温的变化，详见图4所示；可以看出，本发明提供的一种相变储能杯对热水的升降温效果明显，且达到预期温度的升降温时间随相变合金材料的增加而减小，并且使用相变合金为储能材料的保温杯的降温效果要明显优于使用无机水合盐用作相变储能材料的保温杯。