熱阻件材料的製作方法

2023-04-29 10:08:21

專利名稱：熱阻件材料的製作方法
熱阻件材料
背景技術：
根據美國法典35 § 119(e)，本申請要求在2008年9月15日提出的美國臨時專利申請序列號61/097，051的優先權。該臨時專利申請所公開的內容通過整體引用併入本文。
1.發明領域該發明大體上涉及隔熱材料。具體地說，本發明涉及開孔構造的隔熱材料，該構造所具有的結構和設計相對於材料體積使真空區最大化，並使相對要被隔熱區域的接觸面積最小化，以在接觸面積與外環境之間提供最大的熱阻。2.相關領域的說明為了將物體調節或保持一所期望的溫度，許多行業使用熱阻材料。為提供隔熱性， 人們已使用過各種各樣的隔熱體。其中一個例子就是泡沫隔熱體。泡沫隔熱體具有孔狀結構，並且包含兩個相，即氣相和固相。泡沫隔熱體的導熱性是由通過包含在這些孔中的氣體和通過孔壁的網狀體的熱流量之和決定的。典型的泡沫隔熱體結構包括聚氨酯、聚苯乙烯、 聚異氰尿酸酯、聚醯亞胺和泡沫玻璃。其他隔熱體系統包括各種形狀的被排空的空間，所述各種形狀的被排空的空間包含體積填充材料，如玻璃纖維、矽氧氣溶膠或複合材料。傳導性熱流途徑受限於顆粒或纖維之間的接觸點並被相中斷所阻止。對流熱流的貢獻可以靠減小間隙氣壓和/或減小顆粒大小而最小化，從而空隙的等價直徑等於或小於在給定溫度和壓力下氣體分子的平均自由程。發明概述本發明的實施方案是針對包括陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體的隔熱材料，其中，陶瓷或聚合物層包括具有至少一種結構的基底，並且其中陶瓷或聚合物層的排布允許在每層內產生接近於真空壓力的大體積腔，所述大體積腔可以採用在所述陶瓷或聚合物層周邊的真空阻隔件密封。在某些實施方案中，所述至少一種結構對所述腔提供結構支撐，同時又產生大體積區域，由此使能所述的開孔結構。本發明的其他實施方案是針對隔熱材料器件的，所述隔熱材料器件包括一四個層的分層(stratum)，其中所述分層也可以由兩個或三個層構成，所述兩個或三個層包括第一陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體(open cell network)，其中，所述第一陶瓷或聚合物層包括第一結構；第二陶瓷或聚合物層，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括第二結構；第一中間層，其中所述第一中間層包括第三結構；第二中間層，其中所述第二中間層包括第四結構和反射材料層。該第一和第二陶瓷或聚合物層、第一和第二中間層以及反射材料層的排布允許在每個可以被密封的層中產生真空。該隔熱材料還包括保護性聚合物敷層，該保護性聚合物敷層起著產生隔熱材料的真空阻隔件的作用，其中第一、第二、第三和第四結構的總表面積的約或更低互相接觸。在本發明的某些實施方案中，隔熱材料器件可以進一步包括至少兩個、三個或四個層的第二分層。四個層的第二分層可以包括第一陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體，其中所述第一陶瓷和聚合物層包括第一結構；第二陶瓷或聚合物層，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括第二結構；第一中間層，其中所述第一中間層包括第三結構；第二中間層，其中所述第二中間層包括第四結構和反射材料層，其中所述第一和第二陶瓷或聚合物層、所述第一和第二中間層和反射材料層的排布允許在每個可以被密封的層內產生真空。在一些實施方案中，隔熱材料器件進一步包括每層的氣體阻隔層、每層的潮溼阻隔層、納米敷層材料、熱密封層和/或包括金屬的真空沉積材料的層。在另一些實施方案中，隔熱材料器件包括第二分層。在再一些其他的實施方案中，隔熱器件包括多個內周邊真空密封層。在進一步的實施方案中，隔熱材料器件是在容器表面的預定部分形成，並且在某些實施方案中，隔熱材料器件被形成為圓柱形或基本上以圓柱形的方式成型，並在接近真空壓力下密封以產生針對飲料或其他容器的隔熱內層或外層。根據其他實施方案，相鄰層可以被安置成相互垂直。還有再一些實施方案中，分層中的第一個陶瓷或聚合物層可以偏離第二中間層放置，而第二陶瓷或聚合物可以偏離第一中間層放置。在本發明的再一些方面中，隔熱材料器件被乾燥、真空密封的和/或熱封。附圖的簡要說明鑑於以下對本發明的各種實施方案的詳細說明並結合附圖，本發明可以被更完全地理解，其中

圖1是根據本發明的一個實施方案的凸凹式凸出體(lenticular projection)結構的剖面圖；圖2圖示根據本發明又一個實施方案的柱結構；圖3是根據本發明的另一個實施方案的風琴褶形(accordion-shape)結構的剖面圖；並且圖4描繪了根據本發明的一個實施方案的隔熱材料器件的四個層的分層。說明性實施方案的描述本文所使用的術語僅是為了描述特定版本或實施方案的目的，並不用來限制本發明的範圍。除非另有規定，否則，此處使用的所有工藝、符號和其他科學術語或用語與該發明所屬的技術領域中普通技術人員的一般性理解具有相同含義。在某些情況下，具有通常理解的含義的術語在此為了清晰和/或方便查找而被定義，而且這種定義的引入不應解釋為代表了與在此工藝中人們通常的理解的實質性區別。然而，在有衝突的情況下，應以專利說明書、包括其定義為準。在描述本發明時，以下解釋被認為是針對所使用的術語的。除非在上下文中另有明確規定，如在本文中所使用的單數形式「a」、「an」和「the」 指至少一個，但也可能包括複數的對象。如在本文中使用的，術語「大約」意味著正被使用的數的上、下百分之十數值。因此，大約50%意味著在40% -60%的範圍內。如在本文中使用的，術語「器件」和「隔熱材料器件」是指在其最終使用的應用中本發明的隔熱材料。術語「隔熱材料(insulatingmaterial) 」、「 隔熱膜(insulating film)」、「熱阻層(heat resistant layer) 」在本文中可以互換使用。本發明的實施方案針對的是隔熱材料，所述隔熱材料包括開孔結構形式的多個層，這種開孔結構被整體地或者單獨地真空密封在保護性聚合物敷層中以保持在這些層之間的近真空。這裡使用的術語「開孔(open cell)」是指具有一系列的通道和互聯的通路的結構，這些通道和互聯的通路定義了基本上開放的構造。在某些實施方案中，該隔熱材料的開孔網狀體可以具有這樣的特徵，即相對於材料體積至少40%的真空區。不希望被理論所束縛，該開孔結構允許相對於材料體積真空區的最大化。另外，本發明的隔熱材料對保持材料的完整性提供了支持，或在其他實施方案中賦予了柔韌性。本發明的各種實施方案針對的是包含開孔結構形式的多個層的隔熱材料，該材料在最小化材料的厚度、相對於材料體積最大化真空區的同時，實現了期望的熱阻，並且提供了結構支撐和柔韌性兩者。本發明實施方案中的隔熱材料包括至少一個層、優選至少兩個層。在一些實施方案中，每個層可以具有約0.01到Imm的厚度。本發明的隔熱材料可以由各種材料形成，比如聚合物層、陶瓷層、複合材料層和反射材料層。陶瓷層材料的非限制性實施例，僅舉幾項， 包括富鋁紅柱石、鈉鈣玻璃、硼矽酸鹽和氧化鋯。當隔熱材料由聚合物形成時，可以使用具有低導熱率的不透明材料。在可以按照本發明使用的大量聚合物中，下列可以作為非限制性實施例被提及聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚異戊二烯、 聚四氟乙烯、聚酯、三聚氰胺、尿素、酚醛樹脂、矽酸鹽樹脂、聚縮醛樹脂、聚環氧化物、聚乙內醯脲、聚脲類、聚醚、聚氨酯、聚異氰尿酸酯、聚醯亞胺、聚醯胺、聚碸、聚碳酸酯以及它們的共聚物和混合物。一些實施方案中的隔熱材料可以進一步包括添加劑，例如，著色劑、紫外穩定劑、防腐劑、脫氣劑、補強劑、抗氧劑、填充劑、黏著劑、增稠劑的類似物質。根據本發明的實施方案，每個層可以包括一種或更多種各種形狀的結構，使得這些種結構的形狀和排布允許在每個層中產生真空，所述每個層可以由該層上或下的層封閉，並且在周圍壓力被降低時，最終在保護性聚合物阻隔敷層的周邊被真空密封。在某些實施方案中，隔熱材料的每個層可以包括一種或更多種結構，這些結構包括但不限於凸凹式凸出體結構，風琴褶形結構，t-形、U-形、正方形、矩形或任何不規則或規則多邊形的柱及柱橫截面，彎曲的，例如圓的、鉤狀的、橢圓等的柱及柱橫截面，及其組合。在某些實施方案中，所述的層可以包括相同形狀的結構，而在可供替換的實施方案中，所述的層可以包括不同形狀的結構。在還有一些實施方案中，結構的數目被最小化以使真空區最大化，由此提供最大化的熱阻。本發明的結構可以以各種不同形式被安置以允許隔熱材料的真空密封。在本發明的一些實施方案中，這些結構可以從底部基底伸出並且在這樣的基底上可以相等間隔地或不規則間隔地排列。本發明的基底可以具有單一的結構或者多種結構，所述結構從基底的一側或兩側伸出。在一些實施方案中，多個基底可以以提高隔熱材料熱阻的方式被疊置。在某些實施方案中，底部基底可以包括起到有效地阻擋UV、可見和頂輻射的組分。底部基底也可以包含具有相關吸收劑的顏料。在一些實施方案中，所述結構與基底成一體。其他實施方案的所述結構可以僅從底部基底的一側伸出。在其他的實施方案中，所述結構可以從所述基底的兩側伸出。在本發明的某些實施方案中，從所述底部基底伸出的結構部分可以大過該結構的頂部。從一些理由來看，這可能是有益的，這些理由包括但不限於當壓力降低時提供結構強度、減除質量以及提高每層的熱阻。另外，隨著所述結構的頂部接觸面積作為總面積的百分比被降低，熱阻提高。在優選的實施方案中，任何層的結構的總表面積的約或更低與相鄰層的結構接觸。本發明的特別方面的結構可以採取從底部基底伸出的凸凹式或交叉凸凹式凸出體的形式。具有凸凹式凸出體結構的隔熱材料的橫截面在圖1中示出，所述凸凹式凸出體結構針對本發明一個實施方案的被隔熱面積將接觸面積最小化。各種實施方案的凸凹式凸出體結構可以是彎曲的、直的或它們的組合。在某些實施方案中，凸凹式凸出體的底部可以大於該凸出體的頂部。在本發明的其他方面，所述結構可包括柱，如圖2所示。本發明的柱不受形狀所限，可以是本領域中任何已知的形狀，如，舉例說來，矩形或正方型。這些柱的截面，例如梯形等等，可以是任何形狀，包括彎曲的，使得這些形狀在產生大體積區域的同時提過足夠的結構支撐。除了凸凹式凸出體結構是周期性地間斷的，這種結構排布類似於凸凹式凸出體結構，是交叉凸凹式凸出體的等價物，如果在垂直方向周期性是相同的，則產生正方形柱， 或者如果在垂直方向周期性是不同的，則產生矩形柱。在優選的實施方案中，柱的數量被最小化，例如通過增加柱之間的周期性/間距。周期間斷導致柱之間增加的間距，這使真空區最大化，從而使材料的熱阻最大化。在一些有兩個或更多個層並且使用凸凹式凸出體的實施方案中，第二層可以以對應的底部基底接觸或以凸凹式凸出體結構接觸放置在第一層上。在本發明的一些實施方案中，第二層可以被放置，使得所述第二層的凸凹式凸出體結構平行於第一層的凸出體。不希望被理論所束縛，在兩個層被放置使得凸出體平行的實施方案中，熱阻可以由圓柱形導熱體進行估計。在優選的實施方案中，兩個層被放置使得凸出體相互垂直，由此提供比多個凸出體呈平行構造時相對更高的熱阻。在這種多個凸出體垂直的實施方案中，為不希望被理論所約束，熱阻可用球形導熱體進行估計。熱阻分析模型可分別被應用於圓柱形的和球形的導熱體。為計算方便，所分析的結構是在隔熱材料中形狀為等腰梯形的凹陷(indentation)，這些凹陷變成了真空區。在真空區之間的凸凹式凸出體結構具有凸出體底部的寬度(B)、具有寬度(b)的凸出體頂部的夾角90° +Θ以及凸出體高度(H)。不希望受理論的約束，等腰三角形的區域可以被假設成是一真空並且所有熱損失都可假設為是通過含凹陷的隔熱材料的傳導所發生的。由於那個區域是真空，凹陷中的熱流可能受到限制。不希望受理論的約束，真空區域中的有效熱阻可以被認為足夠大，以至隔熱材料的有效熱阻可以等於單單材料區域(該區域包含該結構)的熱阻。例如，如果真空區域的熱阻是材料區域熱阻的十倍，該組合的熱阻較之於單單材料區域的熱阻僅減低了 9%，這是因為真空和材料區域處於平行構造。依照在本發明某些實施方案中的熱阻分析模型，一單個層具有僅在一側的凹陷， 而另一側是平滑的。該層的厚度可以被定義為(t)。在一些實施方案中，隔熱材料至少有兩個這樣的層，在那裡，第二層可以是第一層的鏡像，並且如在前面針對所述的第二層討論過的具有兩種可能的構造(即平行和垂直)。例如，在一些實施方案中，第二層的凸凹式凸出體是平行於與第一層的凸凹式凸出體，這時隔熱材料便用兩同軸圓柱形間徑向熱流來近似。供替代的是，第二層的凸凹式凸出體可以以垂直於與第一層的凸凹式凸出體被放置，這時隔熱材料便用兩同心球間徑向熱流來近似。不希望受理論的約束，具有兩個層的隔熱材料器件的熱阻能夠當作一單個層熱阻(Reff)的兩倍來近似。而且，數目(N)個、每一個都具有兩個層的隔熱器件可以被疊置，疊置體會具有單個器件的熱阻的(N)倍的熱阻。等腰三角型間的分開(s印aration)可以由半徑 (巧)、角大小(q)的部分圓周近似。依據結構參數，半徑(巧)在下面被推導出。熱流能夠被近似地表達為沿著角大小(q)的等腰三角形的邊的徑向流。熱流出到定義為(r2)的半徑， 巧在下面作為結構參數的函數被推導。一旦熱膨脹超過等腰三角型的頂點，任何由該結構以向側面的方式流出的熱將由從相鄰結構的熱流入所補充。單個層的有效熱阻與有效導熱率(kEFF)和層厚度(t)通過下式相關Reff = t/kEFF (1)針對包含具有平行凸出體的多個層的隔熱材料的有效導熱率能夠由針對同軸圓柱形的導熱率方程近似。該方程包含層的物理性質。該方程如下dQ/dt = -k ( θ Ji/180) r L dT/dr (2)其中，L =橫截面為等腰三角形的層的長度dQ/dt =熱流速率k =該層材料的導熱率r =熱流的徑向dT/dr =徑向溫度梯度積分可以被寫成(dQ/dt) / (dr/r) = -k( θ ji/180)L f dT (3)其中，對徑向積分的限在!^和巧之間，而對溫度積分的限在內部溫度(T1)和在外部溫度Ttj時在所述第一層中間的溫度[(I^T1)An]之間。儘管假設內部溫度不變，但這將不影響所述單個層的有效熱阻(Reff)的計算，所述單個層的有效熱阻(Reff)是系統的物理參數。該方法不提供該系統時間依賴性溫度行為的計算。解該積分方程產生 dQ/dt = k( θ Ji /180) [In (T2Zr1) ]^1L(T1-[ (VT1) /2η]} (4)從方程(4)可以觀察到等號和(L)之間的項是kEFF，它包括結構參數和材料導熱率的影響。kEFF = k( θ Ji /180) [In (T2Zr1) ](5)將方程(5)代入方程⑴得到有效熱阻(Reff)Reff = t In(T2Zr1) [k( θ ji /180)]"1 (6)系統參數(θ，ri，r2)可以依據該器件的已知的結構參數計算。基於幾何學，可推導出這些參數為θ = 2 tarT1 (B/2H) (7)Γι = (b/2) [1+(4H2/B2)]1/2 (8)r2 = H[l+(B2/4H2)]1/2+(b/2) [1+(4H2/B2)1/2 (9)不希望受理論的約束，針對層中含垂直凸出體的隔熱材料的kEFF可以從同心球的導熱率方程近似。該近似包括該層的物理性質。其方程為dQ/dt = -k 2 π (L/t) (l_cos θ )r2 dT/dr (10)其中L =該層的長度，它等於由同心球所表示的器件的厚度(t)dQ/dt =熱流速率
k =層材料的導熱率r =熱流的徑向dT/dr =徑向溫度梯度隨後，其積分可以被寫成(dQ/dt) / (dr/r2) = _k 2 π (L/t) (l_cos θ ) f dT (11)其中，徑向積分的限在！^和巧之間，而溫度積分的限在內部溫度(T1)和在外部溫度Ttj時在所述第一層中間的溫度[(I^T1)An]之間。儘管任何溫度變化不會影響所述單個層的Reff的計算，所述單個層的Reff是該系統的物理參數，但還是假定內部溫度不變。然而，這種方法不把該系統的時間依賴性溫度行為的計算考慮進去。解該積分方程得到 dQ/dt = k 2 π (1-cos θ ) {Γιγ2/ [ ^2T1) t]} L (T1- [ (VT1) /2n]} (12)從方程(1 可以很容易地觀察到，像在方程中那樣，等號和L之間的項是 kEFF，kEFF包含結構參數和材料的導熱率的影響。kEFF = k 2 π (1-cos θ ) Ir1T2/ [ (T2-T1) t]} (13)可以把方程(13)代入方程⑴得到有效熱阻(Reff)Reff = t{k 2 π (1-cos θ ) {γιγ2/ [ (T2-T1) t]} (14)系統的參數(θ，ri，r2)可以基於以上方程(7)，⑶和(9)進行計算。隔熱材料的至少兩個層的構造形成隔熱材料的分層。此處所用的術語「分層」是指材料的多個層，其中一個層的至少一部分排布在另一個層的至少一部分之上。在本發明的一些實施方案中，隔熱材料器件包括一個分層，但其他實施方案可能包括多個分層。在各種實施方案中，構成分層的每一個層可以是約10至約1000 μ m厚。在某些實施方案中，構成分層的每一個層也可以是約100 μ m厚。在其他實施方案中，隔熱材料器件可以具有約0. Imm 至約IOmm的厚度。在還有的其他實施方案中，所述器件可以具有約5mm的厚度。在隔熱材料器件中的分層數目決定了隔熱件的熱阻(R)值。分層的R值可以基於所述一個或多個層的幾何形狀、構成所述一個或多個層的材料的導熱率、真空壓、以及所述一個或多個層的材料的體積與真空體積的比率來確定。增加突起體之間的間距增加真空對所述一個或多個層材料體積的比率。凸出體高度的減小減小真空區域的高度。取決於真空壓，真空壓可以導致真空區域中分子間較少的碰撞並容許針對給定熱阻的較高的壓力。這樣，較高真空壓可以被用來獲得給定的熱阻，使得隔熱材料的製造變得更簡單，並使能柔韌真空隔熱板的批量生產。另外，在某些實施方案中，如果期望預定的R值，獲得該期望的R 所必須的分層的數目能夠被計算。本發明中的隔熱材料器件可以具有從約2. 5到約6的以 K-m2/W為單位的R值。在某些實施方案中，當使用相對薄的多個層時，由於薄的層針對給定器件厚度允許更多分層，R值甚至可能更高。為了提高分層的熱阻，其他中間層可以被插在分層的現有的多個層之間或被安置成對分層的現有的多個層為一角度。在一些實施方案中，中間層可以包括具有至少一種結構的基底。該中間層材料可以是任何和最終應用一致的聚合物、陶瓷或複合材料。在一些實施方案中，中間層具有特別的設計，這種特別的設計使中間層材料體積相對於其真空體積最小化，並且最小化與上、下層的接觸面積，因而，通過這些層的材料降低熱導。一個同時最大化真空區同時提供結構支撐的中間層設計的非限定性實施例是薄的風琴褶樣結構。風琴褶形的橫剖面圖示於圖3。風琴褶的三角形結構的頂部可以被製成預設的寬度，使得對上、下表面的接觸面積可以被控制。當凸出體被以互相垂直放置時，雙中間層的設計可以被用來在抽真空時使熱阻和結構強度最大化。在本發明的一些實施方案中，第二陶瓷或聚合物層的至少一種結構的形狀可以與第一陶瓷或聚合物層的至少一種結構的形狀相同。該第二陶瓷或聚合物層的結構可以以與不同於第一陶瓷或聚合物層的結構的方式旋轉或取角度。在其他的實施方案中，第二陶瓷或聚合物層的結構可以不同於第一陶瓷或聚合物層的結構的形狀。在本發明的特定實施方案中，第二陶瓷或聚合物層可以用對應的結構接觸安置在第一陶瓷或聚合物層上。在另外的實施方案中，第二陶瓷或聚合物層可以用對應的基底接觸安置在第一陶瓷或聚合物層上。在本發明的再一些實施方案中，每個層的結構周期性可能不同，這樣使分層的多個層被有效地錯開，以使熱導途徑最小化而熱阻最大化。在某些實施方案中，隔熱材料器件可以包括至少兩個分層，其中一個分層可以具有與第二分層不同的周期性組。另外，兩個分層可以有相同的周期性組，但是一個分層可以被偏置或錯開於第二個分層。另外，隔熱材料的兩個層的垂直構造可以形成剛性結構，所以，在一些實施方案中，為了賦予隔熱材料的柔韌性，每層的內部斷點可以相互對齊。在本發明的各種實施方案中，如圖4所示，四個層、每種類型兩個層，產生一分層。 特別是，圖4是有四個層的分層400的橫截面圖，其中，第一個層420具有凸凹式凸出體設計，並且凸出體尖端背向要被隔熱的區，第二層440具有風琴褶型結構，且被垂直第一層 420放置，第三層460也是風琴褶型結構，且被垂直第二層440放置，而凸凹式凸出體設計的第四層480被垂直第三層460放置，其寬的端或底部部分面向周圍環境或另一個分層。對於具有來自兩個側的凸出體的單個基底的情況，(或在兩層中基底相互接觸的情況)，凸出體尖端將面向要被隔熱的區。在某些實施方案中，分層的第三層或第二層可以偏置於在它下方的第一層安置，以增加熱阻。在某些實施方案中，分層中的第四層可以偏置於在它下方的第二層安置，以增加熱阻。本發明的隔熱材料器件可以以相互協力的方式被使用，以進一步提高熱阻值(R)。 在一些實施方案中，這些器件的結構可以被儘可能最大間距地放置，以通過減小作為對真空區比例的材料質量來提高熱阻。距離僅受其結構強度的限制，因此在減壓產生真空時固有能力不塌陷。另外，所述的距離被設計來限制結構間材料向下拉，而結構間材料向下拉通過迫使兩個層中的一個層的底部碰到被熱阻件或外部熱儲(也即，周圍環境)覆蓋或保護的區域而熱「短路」所述真空區域。當這種情況發生時，通過每個層的傳導增加，並且，熱阻由此降低。在任何兩個層之間，或在每個分層中的一個中，可能存在一個或更多個高反射材料或表面反射材料的層，在這裡，反射性可以是像鏡子那樣的或者是漫射的。在另外的實施方案中，陶瓷或聚合物層可以包含表面反射材料。這裡所有的術語「高反射」意指超過約 80%。高反光材料可以包括金屬箔或金屬化的膜。非限定性實施例包括鋁箔、金箔以及鍍鋁的和雙鍍鋁的MYLAR 膜(MYLAR 是在美國德拉瓦州的Ε. I. Du Pont De Nemours and Company的商標)。在另外的實施方案中，高反光材料可以包括介電材料，比如二氧化鈦。在本發明的特別實施方案中，所述反射材料層包括高反射材料的單層。在其他的實施方案中，高反射材料層構成高反射材料的多層疊置體。在一些實施方案中，高反光材料層將具有約0.025微米到約10微米的厚度。約 0. 025微米到約1微米的厚度值對於金屬箔是常見的，而約1微米到約10微米的值對於金屬化膜是常見的。在優選的實施方案中，高反光材料層將具有小於或等於約1.0微米的厚度。高反光材料的存在通過降低真空區域的厚度、以至於在真空中剩餘顆粒的平均自由路徑更加接近真空厚度，並且反光材料反射紅外線來提高熱阻。在發明的特定實施方案中，反射材料敷層可以被應用到所述多個結構的一部分，例如凸出體，以防止或最小化通過各層的輻射。在一些實施方案中，所述多個結構的各側或面都敷有反射金屬，這意味著每個分層可以包含四個金屬化表面。在本發明的一些多層實施方案中，第一陶瓷或聚合物層的表面反射材料可以面向第二陶瓷或聚合物層的表面反射材料。在本發明的各種實施方案中，分層可以被包含在使能並保護真空的、帶有或不帶有反射表面的保護性聚合物敷層內。在某些實施方案中，分層可以被包含在能夠維持真空板約6個月到約50年的聚合物袋或套內。在一些實施方案中，袋可以包括呈多層的結構， 所述結構包括每層的氣體和/或潮溼阻隔件、納米敷層材料及熱密封層。所述氣體和/或潮溼阻隔層可以包含薄的(約30至60微米)的真空沉積材料層 (例如，鋁)，真空沉積材料的層可以提供對氣體擴散的物理上不滲透的阻隔件並作為對輻射反射體。此外，所述的氣體和/或潮溼阻隔層可以包含有機材料來加強氣體阻隔性能，所述的有機材料，例如，聚偏二氯乙烯(PVdC)、乙烯乙烯醇(EVOH)或聚乙烯醇(PVOH)。在還有的其他實施方案中，溫度可被設計成以周期方式波動，以促進脫氣，並且周期性脈衝運動可以被添加以在多個分層被脫氣的同時促進多個層的分子運動。其他材料，例如，納米尺寸的氧化鋁，能夠被作為充當吸氣劑的表面敷層使用。在分層被放置在袋或套內之後，在本發明的一些實施方案中，惰性氣體，例如氬或氙，可在拉真空和密縫袋之前被泵入袋以代替環境空氣。惰性氣體的泵入改善了隔熱材料器件的熱阻，因為氬和氙的導熱率相對地低於空氣的導熱率。在另一個實施方案中，分層在被保持在真空下之前，於50°C至90°C被乾燥。要求的真空度基於多項因素而變化，這些因素包括但不限於，期望的應用，各層的結構、設計和構造，層的數目及要求的隔熱值(R)。在各種實施方案中，近真空壓力約為10_6巴或更低，在某些實施方案中，要求的真空度可以在從約10_3巴到約10_6巴的範圍。在本發明的某些實施方案中，採用雙腔或多腔組裝系統，由此所述多個分層和保護性聚合物阻隔敷層被同時脫氣，而壓力被分別地降低。脫氣可以發生在處於真空前或處於真空時、或者可能地在處於真空前或處於真空時兩者使用烘焙，以達到最佳效果。在某些實施方案中，可以經由使用高密度聚乙烯(HDPE)、取向聚丙烯(OPP)、流延聚丙烯(CPP)或無規聚對苯二甲酸乙二醇酯(A-PET)的熱封完成袋的封閉。本發明的隔熱材料可以通過行業內本領域技術人員認可的任何方法製造，包括但不限於注塑和/或微複製技術。在一個實施方案中，母型可以被機加工成期望的結構。取決於，例如結構要件的尺寸，母型可以被金剛石車削、雷射蝕刻或化學腐蝕。然後可以通過壓花(熱)、澆鑄和固化(紫外線引發)或其他注塑技術形成結構。可以採用基於網狀結構的輥壓工藝或其他輥壓工藝。在某些實施方案中，輥壓工藝最初以每分鐘約30至50米的線速度運行。由此產生的板材可達兩米寬，並可定製期望的長度和寬度。在一些實施方案中，可以採用自動化工藝加工操縱板材並將板材放入聚合物套內，在被置於真空狀態下之前，用例如氬或氙的氣體增強套的氣氛。 在本發明的一些實施方案中，可以在真空密封之後使用額外的熱封技術添加胞腔樣(cell-like)密封基質。這在以下應用中優選的，例如，存在隔熱材料器件要被刺穿的可能性從而最小化隔熱效果。依照本發明的隔熱材料可以用於使任何物體隔熱。在一些實施方案中，隔熱材料可以用於協助維持在期望的溫度下物品的溫度。在其他實施方案中，隔熱材料可以防止物品的熱損失。應用的實例包括但不限於食品包裝、飲料罐、瓶、柔性飲料袋、輸電線纜和設備的隔熱、用於液體冷凍劑的傳送和運輸系統、熱管、熱泵、空間運載工具的推進劑貯箱和供料管線、製冷單元、器具、醫用包裝(例如疫苗)、醫用運輸箱、任何類型的容器、二氧化碳、 氨、急冷水或鹽水、油和蒸汽的傳送和運輸，以及例如木板襯料、石膏板、屋頂隔熱、真空隔熱材料等類似材料的住宅應用。在本發明的特定實施方案中，隔熱材料器件可以是容器的一個構件，例如具有雙壁的金屬容器。例如，隔熱材料可以被形成為對應於雙壁金屬飲料容器的形狀的圓柱形狀並用於使該容器的內容物隔熱。在一些實施方案中，隔熱材料可以具有小於約2毫米的壁厚並被安置在雙壁飲料容器的兩壁之間。然後可以密封雙壁容器。按照所屬領域技術人員的理解，雙壁飲料容器可以被真空密封，或在可替代的實施方案中，可以不被真空密封，而僅被密封以保護位於其中的內容物。雖然上述涉及特定的優選實施方案，但應當認識到，本發明並非受到上述實施方案的限制。所屬領域的技術人員可以對公開的實施方案進行各種更改，並且此類更改被旨在處於本發明的範圍之內，本發明的範圍由權利要求書所定義。
權利要求
1.一種隔熱材料，包括陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體，其中所述陶瓷或聚合物層包括具有至少一種結構的基底，並且其中所述陶瓷或聚合物層的排布允許在每一個所述層內產生近真空壓力的大體積腔，利用在所述陶瓷或聚合物層周邊的真空阻隔件，所述大體積腔可以被密封。
2.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述開孔網狀體的特徵在於相對於材料體積至少40%的真空區。
3.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述結構為所述腔提供結構支撐，同時產生使能所述開孔結構的大體積區域。
4.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述結構的特徵在於底部部分，所述底部部分大於頂部部分。
5.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述結構包括凸凹式凸出體，風琴褶樣結構， t-形、U-形、正方形、矩形或任何不規則或規則多邊形的柱及柱橫截面，彎曲的、圓的、鉤狀的、橢圓的柱及柱橫截面，及其組合。
6.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述結構是凸凹式凸出體。
7.根據權利要求6所述的隔熱材料，其中所述凸凹式凸出體的側面是彎曲的、直線的或其組合。
8.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述陶瓷或聚合物層包括多種結構。
9.根據權利要求8所述的隔熱材料，其中所述結構從所述基底的一個側伸出。
10.根據權利要求8所述的隔熱材料，其中所述結構從所述基底的兩個側伸出。
11.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述陶瓷或聚合物層包括以這樣的方式疊置的多個基底，所述方式提高所述隔熱材料的熱阻。
12.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中陶瓷或聚合物層包括表面反射材料。
13.根據權利要求12所述的隔熱材料，其中表面反射材料是由鋁箔、金箔、敷鋁的或雙敷鋁的MYLAR. 膜構成的。
14.根據權利要求12所述的隔熱材料，其中所述表面反射材料包括高反射介電材料。
15.根據權利要求14所述的隔熱材料，其中所述高反射介電材料是二氧化鈦。
16.根據權利要求12所述的隔熱材料，其中所述表面反射材料的厚度小於或等於約 1.0微米。
17.根據權利要求12所述的隔熱材料，其中所述表面反射材料被耦合到所述至少一個結構的每個面。
18.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述近真空壓力最大為約10_3巴。
19.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中所述近真空壓力為約10_6巴或更低。
20.根據權利要求1所述的隔熱材料，其中隔熱結構材料的厚度從約0.01毫米到約1毫米。
21.根據權利要求1所述的隔熱材料，進一步包括第二陶瓷或聚合物層，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括具有至少一種結構以形成分層的基底。
22.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述陶瓷或聚合物層包括多種結構。
23.根據權利要求22所述的隔熱材料，其中所述結構從所述基底的一個側伸出。
24.根據權利要求22所述的隔熱材料，其中所述結構從所述基底的兩個側伸出。
25.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述結構與所述基底成一體。
26.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀與所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀相同。
27.根據權利要求22所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構以與所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構不同的方式被旋轉和取角度。
28.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀與所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀不同。
29.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的周期性與所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的周期性相同。
30.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的周期性與所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的周期性不同。
31.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層安置於所述第一陶瓷或聚合物層之上，對應的結構接觸。
32.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層安置於所述第一陶瓷或聚合物層之上，對應的基底接觸。
33.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構平行於所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構安置。
34.根據權利要求33所述的隔熱材料，其中所述隔熱材料的熱阻由圓柱形導熱體進行估計。
35.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的至少一種結構垂直於所述第一陶瓷或聚合物層的至少一種結構安置。
36.根據權利要求35所述的隔熱材料，其中所述隔熱材料的熱阻由球形導熱體進行估計。
37.根據權利要求21所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括表面反射材料。
38.根據權利要求37所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述表面反射材料是由鋁箔、金箔或敷鋁的或雙敷鋁的MYLAR膜構成的。
39.根據權利要求37所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的表面反射材料包括高反射介電材料。
40.根據權利要求39所述的隔熱材料，其中所述高反射介電材料為二氧化鈦。
41.根據權利要求37所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的所述表面反射材料的厚度小於或等於約1. 0微米。
42.根據權利要求37所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的表面反射材料被耦合到所述至少一種結構的每個面。
43.根據權利要求37所述的隔熱材料，其中所述第二陶瓷或聚合物層的表面反射材料面向所述第一陶瓷或聚合物層的所述表面反射材料。
44.根據權利要求21所述的隔熱材料，進一步包括中間層，其中所述中間層包括具有至少一種結構的基底。
45.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層位於所述第一陶瓷或聚合物層與所述第二陶瓷或聚合物層之間，以形成分層。
46.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層包括多種結構。
47.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層以對所述第一陶瓷或聚合物層成一角度安置。
48.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層以對所述第二陶瓷或聚合物層一角度安置。
49.根據權利要求48所述的隔熱材料，其中所述中間層的所述結構從所述基底的一個側伸出。
50.根據權利要求48所述的隔熱材料，其中所述中間層的所述結構從所述基底的兩側伸出。
51.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述結構與所述基底成一體。
52.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層的所述至少一種結構的形狀與所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀以及所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀相同。
53.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層的所述至少一種結構的形狀與所述第二陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀以及所述第一陶瓷或聚合物層的所述至少一種結構的形狀不同。
54.根據權利要求44所述的隔熱材料，其中所述中間層的所述至少一種結構是風琴褶樣結構。
55.根據權利要求M所述的隔熱材料，其中所述風琴褶樣結構的三角部分的頂部具有預定寬度，從而對著所述風琴褶樣結構上下表面的接觸區被控制。
56.根據權利要求1-55中任何一項權利要求所述的隔熱材料，其中所述隔熱材料被真空密封在保護性聚合物敷層中，所述保護性聚合物敷層使能並保護所述真空，並且具有或不具有反射表面。
57.根據權利要求1-55中任何一項權利要求所述的隔熱材料，所述隔熱材料是柔性板。
58.根據權利要求1-55中任何一項權利要求所述的隔熱材料，所述隔熱材料是通過澆鑄、固化或壓花方法製造的微複製結構。
59.包括根據權利要求1所述的隔熱材料的製造的物品，選自包括以下各項組成的組 食品包裝；飲料罐；瓶；柔性飲料袋；輸電線纜和設備的隔熱；用於液體冷凍劑的傳送和運輸系統；熱管、熱泵、運載工具推進劑貯箱；供料管線；製冷單元；器具；醫用包裝；醫用運輸箱；容器；用於二氧化碳、氨、急冷水或鹽水、油和蒸汽的傳送和運輸系統；木板；石膏板； 屋頂隔熱；真空隔熱材料。
60.一種隔熱材料器件，包括四層分層，包括第一陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體，其中所述第一陶瓷或聚合物層包括第一結構；第二陶瓷或聚合物層，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括第二結構；第一中間層，其中所述第一中間層包括第三結構；第二中間層，其中所述第二中間層包括第四結構和反射材料層，其中所述第一和第二陶瓷或聚合物層、所述第一和第二中間層以及反射材料層的排布允許在每個可以被密封的所述層內產生真空；以及保護性聚合物敷層，其中所述第一、第二、第三和第四結構的總表面積的約或更低彼此接觸。
61.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括一種表面反射材料。
62.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述開孔網狀體的特徵在於相對於材料體積至少40%的真空區。
63.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述第一和第二中間層是陶瓷或聚合物層。
64.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中任何所述第一、第二、第三和第四結構的特徵在於大於頂部部分的底部部分。
65.根據權利要求64所述的隔熱材料器件，其中所述底部部分附接至底部基底。
66.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中任何所述第一、第二、第三和第四結構均為凸凹式凸出體。
67.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中任何所述第一、第二、第三和第四結構均為風琴褶樣結構。
68.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述反射材料層是由鋁箔、金箔或敷鋁的或雙敷鋁的MYLAR膜構成的。
69.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述反射材料層包括高反射介電材料。
70.根據權利要求69所述的隔熱材料器件，其中所述高反射介電材料為二氧化鈦。
71.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述反射材料層的厚度低於或等於約 1.0微米。
72.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述反射材料層被耦合至所述第一、 第二、第三和第四結構中的至少一個的至少一部分。
73.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述反射材料層是一個多層疊置。
74.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括細胞樣密封基質層。
75.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件能夠維持真空從約 6個月到約50年。
76.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括每層的氣體阻隔件。
77.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括每層的潮溼阻隔件。
78.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括納米敷層材料，其中納米敷層材料充當吸氣劑。
79.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括多個內周邊真空密封層。
80.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括真空沉積金屬層。
81.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件被形成為容器表面的預定部分。
82.根據權利要求60所述的隔熱材料器件，進一步包括四個層的至少一第二分層，其中所述第二分層包括第一陶瓷或聚合物層形成的開孔網狀體，其中所述第一陶瓷或聚合物層包括第一結構；第二陶瓷或聚合物層，其中所述第二陶瓷或聚合物層包括第二結構；第一中間層，其中所述第一中間層包括第三結構；第二中間層，其中所述第二中間層包括第四結構和反射材料層，其中所述第一和第二陶瓷或聚合物層、所述第一和第二中間層和所述反射材料層的排布允許在每個可以被密封的所述層內產生真空。
83.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的所述第一、第二、第三和第四結構的形狀與所述第二分層的所述第一、第二、第三和第四結構的對應形狀相同。
84.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的所述第一、第二、第三和第四結構的形狀與所述第二分層的所述第一、第二、第三和第四結構的對應形狀的至少一個不同。
85.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層與所述第二分層具有對應層的相同周期性層。
86.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層與所述第二分層在至少一個對應層中具有不同的周期。
87.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的至少一個層與所述第二分層的對應層偏離。
88.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一和第二分層的每個均有一內部斷點，其中所述第一和所述第二分層的所述內部斷點對齊以賦予所述隔熱材料器件柔韌性水平。
89.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，形成為圓柱體的形狀或基本上以圓柱體的方式成形，並在近真空壓力密封，以為飲料或其他容器產生隔熱內部或外部層。
90.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個以與所述第二分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個成一角度安置。
91.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個以垂直於所述第二分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個安置。
92.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述第一分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個以平行於所述第二分層的所述第一、第二、第三和第四結構的至少一個安置。
93.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件被乾燥。
94.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件被真空密封以在所述層之間保持近真空。
95.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件真空下在所述器件的周邊被熱封。
96.根據權利要求82所述的隔熱材料器件，其中所述隔熱材料器件在器件周邊同時用氣體和潮溼阻隔材料真空熱封，所述氣體和潮溼阻隔材料延伸至所述器件的周邊。
全文摘要
提供一種具有多種結構和設計的隔熱材料(4000)，所述多種結構和設計使相對於材料體積的真空區最大化並使對著要被隔熱的區域的接觸面積最小化，從而在被接觸區與外環境之間提供最大熱阻。
文檔編號F16L59/065GK102317065SQ200980145443
公開日2012年1月11日 申請日期2009年9月11日 優先權日2008年9月15日
發明者N·D·盧巴特, T·J·沃耶茨爾喬斯基 申請人:蒂恩塞瑪爾巴利爾斯有限公司