CN111059757A

CN111059757A - 一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器

Info

Publication number: CN111059757A
Application number: CN201911392899.5A
Authority: CN
Inventors: 杨志儒; 何自勇; 吴万里; 周阳; 乐德正
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-04-24

Abstract

本发明提供了一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器，包括外部包裹层和加热装置，所述外部包裹层内密封安装加热装置，所述加热装置为涂覆石墨烯导热散热涂料的加热电阻丝；所述外部包裹层内设有石墨烯相变材料层，用于外部包裹层的蓄热。所述加热电阻丝呈网栅状，网栅状的所述加热电阻丝表面涂覆分级多孔石墨烯导热散热涂料。所述石墨烯相变材料层包括若干均布的胶囊颗粒，所述胶囊颗粒为含有相变材料的胶囊颗粒。所述外部包裹层还包括绝缘装饰层、蓄热膜和防潮膜，所述石墨烯相变材料层位于绝缘装饰层和蓄热膜之间，所述防潮膜内包裹加热介质。本发明结构简单，节能效果好，通电即热、断电不即时降温、保温时间长，使用寿命长。

Description

一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器

技术领域

本发明涉及变相材料加热领域，特别涉及一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器。

背景技术

目前，能源是人类赖以生存的必不可少的物质，但自然界的能源并不是取之不尽，用之不竭的，如何合理的利用有限的资源使其达到可持续发展是一个额待解决的问题。如今，电能是我们使用最广泛也较为节能的一种能源，当然节能储能技术的发展也应运而生，使用电能的设备有很多，比如电油灯，电热毯，换热器等等，然而这些装置普遍存在加热时间过长，耗能大，蓄热时间短等问题，不能带来良好的用户体验因此节能储能技术也就应运而生。比如我们家里传统使用的电热水袋，传统的电加热包括金属电阻加热，金属存在电热转换效率低、易氧化、柔韧性较低、需绕制加工，断电后很快就降温不能保温需要频繁通电加热等问题。另外，金属电阻丝加热存在很大的安全隐患，不容易控制水温甚至产生触电危险。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器，结构简单，节能效果好，通电即热、断电不即时降温、保温时间长，使用寿命长的智能相变式石墨烯暖水袋加热器。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器，包括外部包裹层和加热装置，所述外部包裹层内密封安装加热装置，所述加热装置为涂覆石墨烯导热散热涂料的加热电阻丝；所述外部包裹层内设有石墨烯相变材料层，用于外部包裹层的蓄热。

进一步，所述加热电阻丝呈网栅状，网栅状的所述加热电阻丝表面涂覆分级多孔石墨烯导热散热涂料。

进一步，所述石墨烯相变材料层包括若干均布的胶囊颗粒，所述胶囊颗粒为含有相变材料的胶囊颗粒。

进一步，所述外部包裹层还包括绝缘装饰层、蓄热膜和防潮膜，所述石墨烯相变材料层位于绝缘装饰层和蓄热膜之间，所述蓄热膜用于吸收加热介质的热能并传导至石墨烯相变材料层，所述防潮膜内包裹加热介质。

进一步，所述绝缘装饰层内表面涂覆辐能回收层，用于使石墨烯相变材料层吸收所述辐能回收层反射的热量。

进一步，所述辐能回收层为高分子材料或导热金属材料表面涂覆红外线吸收反射涂料。

进一步，还包括可拆卸式电路功能模块，所述可拆卸式电路功能模块包括电源模块、电路控制模块、蓝牙智能模块和温度控制模块，所述电源模块内嵌于外部包裹层中，所述电源模块与加热装置连接；所述温度控制模块用于实现温度自动控制；所述蓝牙智能模块用于通过蓝牙实现终端无线控制；所述电源模块通过电路控制模块与蓝牙智能模块和温度控制模块连接。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，创造性地开发了充入相变材料的石墨烯加热热水器，这种加入石墨烯材料的相变材料，减少热阻，增大导热效果，普通仅含有相变材料产品，具有过冷、相分离、相变时体积变化、腐蚀容器、液相泄露；有机相变材料熔点低，易燃、导热率低的缺点。加入石墨烯可大幅度的提高其导热效果，并延长其使用寿命。石墨烯具有高效的传热能力，它的导热系数比铜、铝、铁等金属都要高，此外因其具有很好的机械性能和弯曲特性，可以根据需要制成各种形状，可灵活使用。并在其中成功的融入了智能控制模块，不仅可以实现即时加热、高效热能利用和转化、同步蓄热的新产品，有效解决了已有技术和现状所存在的无法蓄热、断电即变冷、需频繁通电加热的弊端，而且还可以实现远距离控制加热温度，更好的提升了用户体验。

2.本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，胶囊相变材料粒径足够小，总体传热面积大，热量可及时吸收和释放，同时也节约成本。

3.本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，网栅状的所述加热电阻丝表面涂覆分级多孔石墨烯导热散热涂料，减少热阻，增大导热效果，添加石墨烯的导热涂料导热系数比普通导热涂料有大幅度的提高，除此之外，石墨烯导热涂料还保留了机械性能好，防腐性能优良，并且涂料是环保无毒涂料，有利于可持续发展。

附图说明

图1为本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器结构图。

图2为本发明所述的加热电阻丝结构图。

图3为本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器的模拟传热温度云图。

图中：

1-绝缘装饰层；2-石墨烯相变材料层；3-蓄热膜；4-加热电阻丝；5-可拆卸式电路功能模块；51-电源模块；52-电路控制模块；53-蓝牙智能模块；54-温度控制模块；6-防潮膜；7-水；8-辐能回收层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，包括外部包裹层、加热装置和可拆卸式电路功能模块5，所述外部包裹层包括绝缘装饰层1、石墨烯相变材料层2、蓄热膜3、辐能回收层8和防潮膜6，所述石墨烯相变材料层2位于绝缘装饰层1和蓄热膜3之间，所述蓄热膜3用于吸收加热介质的热能并传导至石墨烯相变材料层2，所述防潮膜6内填充加热介质，本发明的实施例中填充水7。所述加热装置位于加热介质中。

所述石墨烯相变材料层2包括若干均布的胶囊颗粒，所述胶囊颗粒为含有相变材料的胶囊颗粒。若干胶囊颗粒分散排列，任意胶囊颗粒相隔1-2cm，胶囊相变材料粒径足够小，总体传热面积大，热量可及时吸收和释放，同时也节约成本；若干均布的胶囊颗粒粘结在绝缘装饰层1和蓄热层3之间。所述蓄热膜3是由深色Cu金属材料制成，可最大程度的吸热和传热效果，蓄热层厚度为2-8mm；装配方式为螺钉连接在底座上。

所述绝缘装饰层1内表面涂覆辐能回收层8，用于使石墨烯相变材料层2吸收所述辐能回收层8反射的热量。所述辐能回收层8是由红外线吸收反射涂料涂覆在高分子材料或者是发热传热好的铜箔铝箔上，并通过胶水粘结在绝缘装饰层1内层上，可有效的将散发出去的热量反射吸收进行回收；红外线反射涂料是由粘结胶，石墨烯，红外反射纳米材料-纳米二氧化钛、聚酰亚胺、以及Al粉、Cu粉等反射催化剂混合组成。所述防潮膜6是由白色防水导热膜构成,厚度为2-8mm，用于保护加热装置，并同时具有防止加热装置与外界直接接触，水泄露，起到绝缘和安全性的作用。

如图2所示，所述加热电阻丝4呈网栅状，网栅状的所述加热电阻丝4表面涂覆分级多孔石墨烯导热散热涂料。网栅状的所述加热电阻丝4由多空隙网状导热材料构成，包括导热铜板或铝板成多空隙导热网。在网栅状的所述加热电阻丝4上涂覆一层分级多孔石墨烯材料，这种网格多孔状可增加其传热面积，缩短加热时间充分利用石墨烯的传热优良特性，同时也节省材料，节约成本。多空隙网状导热材料可选择导热性良好的金属如铜、银、钨等。或者耐腐蚀性强的陶瓷材料如高纯石墨、高纯石英、高纯氧化铝、碳纤维、热解氮化硼、碳化硅等或者兼顾金属与陶瓷的优点做成复合材料。本发明采用的石墨烯材料是用CO₂秒激光在聚酰亚胺片上形成有缺陷的分级多孔石墨烯薄膜，石墨烯基纳米材料显示出大的比表面积和极好的导热性。通过上述工艺研制的分级多孔石墨烯导热散热涂料，涂覆在网栅状的所述加热电阻丝4上，漆膜内的石墨烯以及其他导热材料均匀的分布于漆膜中，减少热阻，增大导热效果，添加石墨烯的导热涂料导热系数比普通导热涂料有大幅度的提高，可以达到20w/m.k，除此之外，石墨烯导热涂料还保留了机械性能好，防腐性能优良，并且涂料是环保无毒涂料，有利于可持续绿色发展。

所述可拆卸式电路功能模块5包括电源模块51、电路控制模块52、蓝牙智能模块53和温度控制模块54，所述电源模块51内嵌于外部包裹层中，所述电源模块51与加热装置连接，用于给加热装置供电；所述温度控制模块54用于实现温度自动控制，其至少包括温度传感器；所述蓝牙智能模块53用于通过蓝牙实现终端无线控制；所述电源模块51与电路控制模块52连接，用于提供控制用电，所述电路控制模块52与蓝牙智能模块53和温度控制模块54连接，用于实现控制。温度控制模块54控制当温度达到设定温度时，将实现自动断电加热，并通过蓝牙模块传输到手机APP，也可以实现逆向控制，即可以在手机端设定加热温度，加热时间段进行远端控制等功能。

图3为本发明ANSYS fluent模拟传热温度云图，以石墨烯网壁面设置为热源，在水介质中进行传热，温度区间设定为273K～355K，观察其热传递效果，右图A点处升温曲线对比图，A点位于距加热装置中心80.7mm-83.0mm处水域，加热10s，普通材质加热器可使水温上升2K，石墨烯材质加热器可使水温上升7K，可见石墨烯材质加热器加热效果显著，可有效地缩短加热时间，提高加热效率。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，包括外部包裹层和加热装置，所述外部包裹层内密封安装加热装置，所述加热装置为涂覆石墨烯导热散热涂料的加热电阻丝(4)；所述外部包裹层内设有石墨烯相变材料层(2)，用于外部包裹层的蓄热。

2.根据权利要求书1所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，所述加热电阻丝(4)呈网栅状，网栅状的所述加热电阻丝(4)表面涂覆分级多孔石墨烯导热散热涂料。

3.根据权利要求书1所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，所述石墨烯相变材料层(2)包括若干均布的胶囊颗粒，所述胶囊颗粒为含有相变材料的胶囊颗粒。

4.根据权利要求书1所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，所述外部包裹层还包括绝缘装饰层(1)、蓄热膜(3)和防潮膜(6)，所述石墨烯相变材料层(2)位于绝缘装饰层(1)和蓄热膜(3)之间，所述蓄热膜(3)用于吸收加热介质的热能并传导至石墨烯相变材料层(2)，所述防潮膜(6)内包裹加热介质。

5.根据权利要求书4所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，所述绝缘装饰层(1)内表面涂覆辐能回收层(8)，用于使石墨烯相变材料层(2)吸收所述辐能回收层(8)反射的热量。

6.根据权利要求书5所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，所述辐能回收层(8)为高分子材料或导热金属材料表面涂覆红外线吸收反射涂料。

7.根据权利要求书1所述的智能相变式石墨烯暖水袋加热器，其特征在于，还包括可拆卸式电路功能模块(5)，所述可拆卸式电路功能模块(5)包括电源模块(51)、电路控制模块(52)、蓝牙智能模块(53)和温度控制模块(54)，所述电源模块(51)内嵌于外部包裹层中，所述电源模块(51)与加热装置连接；所述温度控制模块(54)用于实现温度自动控制；所述蓝牙智能模块(53)用于通过蓝牙实现终端无线控制；所述电源模块(51)通过电路控制模块(52)与蓝牙智能模块(53)和温度控制模块(54)连接。