CN107565072B - 调制的热导的热封装件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调制的热导的热封装件。热绝缘装置包括：第一板；第二板，其形成为邻近第一板嵌套，在第一板与第二板之间具有间隙；布置在板之间的间隙中的多孔材料；密封层，其布置在第一板与第二板之间，使得多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；和布置在间隙中的蒸气产生材料。

Description

调制的热导的热封装件

背景技术

常规热绝缘材料（例如聚异氰脲酸酯（polyisocyanurate）、聚苯乙烯（polystyrene）、聚氨酯（polyurethane））不能满足要求薄的、高性能的热绝缘的某些应用（例如便携式燃料电池）的热阻要求。基于真空的热绝缘体（例如真空绝缘板）可满足这些应用的热性能要求，但不能以定制的外型被合算地制造。

一些装置，比如电源和传感器必须在广泛范围的环境温度内操作。面对如此广泛范围的环境温度，热绝缘体可能不能使这些装置维持在它们的操作范围内。

发明内容

热绝缘装置包括：第一板；第二板，所述第二板形成为邻近第一板嵌套，在第一板与第二板之间具有间隙；布置在所述板之间的间隙中的多孔材料；密封层，所述密封层布置在第一板与第二板之间，使得多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；和布置在间隙中的蒸气产生材料。

热绝缘封装件包括：第一板；第二板，所述第二板形成为邻近第一板嵌套，在第一板与第二板之间具有间隙；布置在所述板之间的多孔材料；布置在间隙中的蒸气产生材料；密封层，所述密封层布置在第一板与第二板之间，使得多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；一组复制的第一板和第二板，具有多孔材料、蒸气产生材料和密封层，所述一组复制的第一板和第二板形成为与所述第一板和第二板配合以形成腔；和布置在所述腔内的装置，通过封装件与环境热绝缘。

一种方法，包括：按压两个板之间的多孔材料，使得板通过由多孔材料限定的间隙彼此分离；在间隙中包括蒸气产生材料；以及在部分真空中，沉积保形密封层以覆盖在两个板之间的间隙中的多孔材料，以形成多孔材料和蒸气产生材料与环境的气体密封并维持所述部分真空。

附图说明

图1是根据示例性实施例的热绝缘体的框图横截面示意图。

图2是根据示例性实施例的图表，图示了不同的特征系统尺寸的随气体压力变化的计算的空气的气体热导率。

图3是幻灯片（slide），提供了蒸气产生材料的进一步描述和示例性测试结果。

图4是曲线图，图示了对于两种材料的压力对温度。

图5是根据示例性实施例的图示了两组板如何被密封以形成绕着装置的绝缘封装件的框图示意图。

具体实施方式

在以下描述中，对附图作出参考，所述附图形成本文一部分，并且其中通过图示的方式示出了可被实践的特定实施例。充分详细地描述了这些实施例，以使本领域技术人员能够实践本发明，并且将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例，并且可作出结构的、逻辑的和电气的改变。因此，示例性实施例的以下描述不应从限制意义上来理解，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

基于真空的热绝缘体提供了要求薄的绝缘的应用的热阻要求，并且可以以广泛范围的定制外型被制造。在一个实施例中，改进的高性能热封装件包括反馈机构，其基于环境温度调制其热阻。在非常低的环境温度下热阻是高的，而在高的环境温度下热阻是低的，使得装置能够利用封装件来维持在装置的操作范围内的温度。

图1是热绝缘体100的框图横截面示意图。所述热绝缘体可形成为外板110通过纳米多孔材料120与内板115间隔开。在一个实施例中，所述板可相似成形并具有稍微不同的尺寸，使得内板115可嵌套在外板110内，在它们之间形成材料120占据的空间。在一个实施例中，板之间的空间可以是相当均匀的。

在一个实施例中，所述板具有从板的大致平面的部分延伸出的侧面，以125和130指示。侧面125与130之间的距离可以与板的大致平面的部分之间的距离相同，或者在另外的实施例中可变化。嵌套的板的大致平面的部分的形状可以是圆形的、椭圆形的、矩形的、或任何其它期望的形状，比如多边形。所述板的侧面沿着大致平面的部分的整个周边延伸。在仍另外的实施例中，与平面相反，所述板的大致平面的部分可以是弯曲的。注意到，尽管在一些实施例中，板之间和板的侧面之间的距离是大体上相等的，但是在不需要大体均匀的绝缘的另外的实施例中，所述距离可以变化。

在放大视图中更加详细地图示了板的侧面的部分140，仍以140指示。部分140的放大视图图示了密封层150，该密封层150帮助在纳米多孔材料120内维持真空。在一个实施例中，密封层150包括比如聚对二甲苯（parylene）或其它低导热性材料的聚合物层155、和比如例如铝或NiCr的低导热性金属的金属层160。在另外的实施例中，可包括另外的聚合物或其它的层。

在一个实施例中，聚合物层或塑料层155可以厚约50到200um之间。金属层可以厚约80nm。密封层150的目的是帮助在板之间的空间内维持真空，与绝对真空相反，所述真空可以只是低压。因此，基于用于维持真空持续期望的时间长度的材料，每层的厚度可以变化。由于金属层会更加导热，因此，在一些实施例中，期望的是利用金属和金属的厚度，其最小化它在板之间的热导。真空提供具有低的热导K的区域。因此，它可在绝对压力与环境压力之间变化，取决于所期望的总体热性质。环境压力可对应于大气压力，其可随着天气情况和海拔或深度而变化。在一个实施例中，真空保持在0和100Pa（帕斯卡 - 牛/米²）之间。注意到，提供所示的部分140用于图示密封层150，其可能不反映部分140的实际形状。

在一个实施例中，材料120可以是锻制二氧化硅（fumed silica）、玻璃纤维、和碳化硅（silicon carbide）（以及用于吸收由排气或通过密封的泄漏产生的气体的可选吸气材料）的低密度（200-250kg/m^3）混合物，可被按压到定制外型的封装件中，比如两个嵌套的板110和115。锻制二氧化硅混合物填充两个嵌套板之间的间隙，所述两个嵌套板包含封装件。在一个实施例中，所述混合物是纳米多孔开孔（open cell）材料，使得由所述材料占据的显著部分的值（value）是开放的，与闭孔（closed cell）材料相反。小间隙使两个板热隔离；该间隙可涂覆有薄的、低热导率的材料（或多个材料），并形成如由密封层150指示的气体密封。

抽空板之间的空间，形成在内板与外板之间具有非常高的热阻的封装件。在一个实施例中，装置170，比如基于燃料电池的电力发电机，可放置在由两个封装件180和185形成的凹穴175内，并在凹穴的内部与周围环境之间提供非常高的热阻。在某些燃料电池的情况下，所述两个封装件可不被密封在一起，以至少允许由箭头190指示的来自环境的氧气到达装置170用于装置的操作。在不需要进入环境的另外的实施例中，封装件可通过胶粘、焊接、夹持、或将封装件附接在一起的其它方法被密封在一起。

图2是根据示例性实施例的图表，图示了不同的特征系统尺寸的随气体压力变化的计算的空气的气体热导率。输入温度是20℃，孔的尺寸由附图顶部处的线的格式指示，范围从10nm到100mm。注意到，对于相同水平的热导率，纳米范围内的孔的使用允许在更高压力下操作，这可更易于实现以及在长时间段内维持。

在一些实施例中，在材料120中包括蒸气产生材料。所述蒸气产生材料可具有如下的压力对温度关系，其在期望的温度范围内调制在封装件板之间的间隙中的蒸气的热导。

蒸气产生材料可选择成使得蒸气压力在期望的范围（例如，对于纳米多孔二氧化硅，100-1000000Pa）内，其在期望的环境温度范围内调制蒸气的热导。示例性材料包括环己烷（cyclohexane）或水蒸气。可根据二氧化硅的孔的尺寸来选择不同的蒸气产生材料。如果期望不同的热阻值或温度范围，也可使用低密度的、小的孔尺寸的材料，而非二氧化硅。其它的材料可包括异丙醇（Isopropanol）、1-丁醇（1-Butanol）、环己烷（Cyclohexane）、乙醇（Ethanol）、和乙酸乙酯（Ethyl acetate）。在一些实施例中，仅使用在期望温度下产生蒸气的仍其它的材料或示例性材料中的一种。

对于任何特定的实施例，可基于应用的期望的温度范围和粉末的孔尺寸来选择蒸气产生材料。通过将对于期望的温度范围的压力总体变化与在给定的孔尺寸下（图2）产生气体热导率最大变化的压力范围匹配，对于给定应用，设计可以被优化。

用于形成热封装件的方法如下：

1）将锻制二氧化硅、碳化硅、玻璃纤维、和可选的吸气材料混合以形成纳米多孔材料。注意到，这样的混合是本领域中熟知的，如在至少三篇文章中描述的，比如Dry PowderProcessing of Fibrous Fumed Silica Compacts for Thermal Insulation HiroyaAbe,*,w Isami Abe, Kazuyoshi Sato,* and Makio Naito* 2005; Experimentalcharacterisation and evaluation of the thermo-physical properties of expandedperlite——Fumed silica composite for effective vacuum insulation panel (VIP)core M. Alama, H. Singha,*, S. Brunnerb, C. Nazirisa 2015; Performanceproperties of vacuum insulation panels produced with various fillingmaterials Metin Davraz* and Hilmi C. Bayrakci 2014。

在一个实施例中，混合物由70-90%的具有约10um粒度尺寸的锻制二氧化硅、1-10%的具有约0.5um粒度尺寸的SiC粉末、和5-15%的1-2mm×10um的玻璃纤维组成。以低速（＜1000 rpm）将这些机械地混合若干分钟。

2）按压在两个板之间的二氧化硅混合物，所述两个板包含封装件。

3）在部分真空（＜1000Pa）中，沉积保形涂层（例如，10-100um的比如聚对二甲苯的聚合物）以覆盖板之间的间隙中的二氧化硅，形成气体密封。

4）在部分真空（＜1000Pa）中，沉积金属层（例如，10-1000nm的Al、NiCr）以覆盖聚对二甲苯。

5）可选地重复聚合物/金属涂覆过程以形成进一步降低渗透性（增加寿命）的多层密封。

在一个实施例中，锻制二氧化硅混合物可以是2/88/10%的SiC/锻制二氧化硅/玻璃纤维。

6）可选地，将蒸气产生材料添加至所述间隙。替代地，所述蒸气产生材料可在初始的聚合物涂覆过程期间通过利用期望的材料（假设其不干涉沉积过程）填充沉积腔被添加。所述蒸气还可经由其它手段引入，通过例如在已经将所述密封沉积之后打破间隙内的材料的胶囊（capsule）。所述胶囊可通过不使所述密封有害劣化的任何手段被打破，比如通过声波或热。

在一些实施例中，基于纳米多孔二氧化硅得到的适应性绝缘提供常规绝缘的约10倍的热阻。

取决于温度的蒸气压力的使用能够实现热阻的调制。在封装件内高温下热阻可减小，允许热被传递至环境。在较低温度下，热阻可增加。

图3示出了燃料电池装置的温度对环境温度。在低热导率绝缘设计的情况下，封装件的内部温度可在高的环境温度下变得过于暖和，限制了燃料电池的操作范围。利用具有适宜的蒸气压力温度特征的适应性绝缘有利于被动的温度反馈，使从-30℃至80℃的环境温度的操作范围扩大。

图4是曲线图，图示了两种不同蒸气的温度对压力，所述两种不同蒸气比如包括水的蒸气和包括n-C12H5的蒸气。

图5是示出了两组板180、185如何在510、520处被密封以形成绕着装置170的绝缘封装件500的框图示意图。密封510表示板组的外板密封在一起，而密封520表示板组的内板密封在一起。在各种实施例中，密封510和520可经由焊接或粘合剂被获得。

示例：

1. 一种热绝缘装置，其包括：第一板；第二板，所述第二板形成为邻近第一板嵌套，在第一板与第二板之间具有间隙；布置在所述板之间的间隙中的多孔材料；密封层，所述密封层布置在第一板与第二板之间，使得多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；和布置在所述间隙中的蒸气产生材料。

2. 如示例1所述的热绝缘装置，其中所述蒸气产生材料具有压力对温度关系，所述压力对温度关系调制在封装件板之间的间隙中的蒸气的热导。

3. 如示例1-2中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述蒸气产生材料包含环己烷、1-丁醇、环己烷、乙醇、乙酸乙酯、或水蒸气。

4. 如示例1-3中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述第一板和第二板包含大体平面的部分和侧面，其中所述密封层布置在所述第一板与第二板的侧面之间。

5. 如示例4所述的热绝缘装置，其中所述密封层包含聚合物材料和布置在聚合物层与环境之间的金属层。

6. 如示例5所述的热绝缘装置，进一步包含金属和聚合物的另外的层。

7. 如示例1-6中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述多孔材料是纳米多孔材料，所述纳米多孔材料包含开孔材料。

8. 如示例1-7中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述多孔材料是纳米多孔材料，所述纳米多孔材料包含锻制二氧化硅、玻璃纤维、和碳化硅的低密度混合物。

9. 如示例1所述的热绝缘装置，其中所述多孔材料包含吸气材料。

10. 一种热绝缘封装件，其包括：第一板；第二板，所述第二板形成为邻近第一板嵌套，在所述第一板与第二板之间具有间隙；布置在所述板之间的多孔材料；布置在所述间隙中的蒸气产生材料；密封层，所述密封层布置在第一板与第二板之间，使得所述多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；一组复制的第一板和第二板，具有多孔材料、蒸气产生材料和密封层，所述一组复制的第一板和第二板形成为与所述第一板和第二板配合以形成腔；和布置在所述腔内的装置，通过所述封装件与环境热绝缘。

11. 如示例10所述的热绝缘封装件，其中所述第一板和第二板以及复制的第一板和第二板包含大体平面的部分和侧面，其中所述密封层布置在第一板与第二板的侧面之间，其中每组板的侧面对准以形成腔，并且其中所述蒸气产生材料具有压力对温度关系，所述压力对温度关系调制在封装件板之间的间隙中的蒸气的热导。

12. 如示例10-11中的任何一项所述的热绝缘封装件，其中所述蒸气产生材料包含环己烷、1-丁醇、环己烷、乙醇、乙酸乙酯、或水蒸气。

13. 如示例10-12中的任何一项所述的热绝缘封装件，其中所述封装件内的装置包含基于燃料电池的电力发电机，并且其中所述封装件包括来自环境的路径以允许环境氧气到达所述装置。

14. 如示例10-13中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述密封层包含聚合物材料和布置在聚合物层与环境之间的金属层。

15. 如示例10-14中的任何一项所述的热绝缘装置，其中所述多孔材料包含开孔材料，所述开孔材料包括锻制二氧化硅、玻璃纤维、和碳化硅的低密度混合物。

16. 一种方法，其包括：按压两个板之间的多孔材料，使得板通过由多孔材料限定的间隙彼此分离，在所述间隙中包括蒸气产生材料；以及在部分真空中，沉积保形密封层以覆盖在所述两个板之间的间隙中的多孔材料，以形成多孔材料和蒸气产生材料与环境的气体密封并维持所述部分真空。

17. 如示例16所述的方法，其中所述多孔材料包含锻制二氧化硅、玻璃纤维、和碳化硅的混合物，并且其中所述蒸气产生材料包含环己烷、1-丁醇、环己烷、乙醇、乙酸乙酯、或水蒸气。

18. 如示例16-17中的任何一项所述的方法，其中所述密封层包含聚合物材料和布置在聚合物层与环境之间的金属层，并且其中所述蒸气产生材料具有压力对温度关系，所述压力对温度关系调制在封装件板之间的间隙中的蒸气的热导。

19. 如示例16-18中的任何一项所述的方法，进一步包含形成多组这样的板并将两组拿到一起以形成具有腔的封装件，且进一步包含将装置放置在所述腔内，从而与环境热绝缘。

20. 如示例16-19中的任何一项所述的方法，其中在所述间隙中包括蒸气产生材料，包含：在所述间隙中包括蒸气产生材料的胶囊，以及在沉积保形密封层之后破开所述胶囊。尽管以上详细描述了一些实施例，但其它的修改是可能的。例如，工艺流程可能不要求示出的特定顺序或相继顺序来实现期望的结果。可提供其它的步骤、或可从描述的流程中除去步骤，并且可添加其它的部件到描述的系统中或从描述的系统中移除其它的部件。其它的实施例会在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种热绝缘装置，包含：

第一板；

第二板，形成为邻近所述第一板嵌套，在所述第一板与第二板之间具有间隙；

布置在所述第一板与第二板之间的多孔材料；和

密封层，布置在所述第一板与第二板之间的所述间隙中，使得所述多孔材料在小于环境的压力下从环境密封；和

被包括在所述间隙中的所述多孔材料中的蒸气产生材料，其中，所述蒸气产生材料具有压力对温度关系，所述压力对温度关系调制在所述第一板与第二板之间的间隙中的蒸气的热导，使得热阻在所述间隙内在高温下减小并在较低温度下增加。

2.如权利要求1所述的热绝缘装置，其中，所述蒸气产生材料包含环己烷、1-丁醇、环己烷、乙醇、乙酸乙酯、或水蒸气。

3.如权利要求1或2所述的热绝缘装置，其中，所述第一板和第二板包含大体平面的部分和侧面，其中，所述密封层布置在所述第一板和第二板的侧面之间。

4.如权利要求1或2所述的热绝缘装置，其中，所述密封层包含聚合物材料和布置在聚合物层与环境之间的金属层。

5.如权利要求1或2所述的热绝缘装置，且进一步包含：

一组复制的第一板和第二板，具有多孔材料、蒸气产生材料和密封层，所述一组复制的第一板和第二板形成为与所述第一板和第二板配合以形成封装件、腔；和

布置在所述腔内的装置，通过所述封装件与环境热绝缘。

6.一种形成热绝缘装置的方法，包含：

按压第一板与第二板之间的多孔材料，使得所述第一板与第二板通过由所述多孔材料限定的间隙彼此分离；

在所述间隙中的所述多孔材料中包括蒸气产生材料；以及

在部分真空中，沉积保形密封层以覆盖在所述第一板与第二板之间的间隙中的多孔材料，以形成所述多孔材料和蒸气产生材料与环境的气体密封并维持所述部分真空，其中，所述蒸气产生材料具有压力对温度关系，所述压力对温度关系调制在第一板与第二板之间的间隙中的蒸气的热导，使得热阻在所述间隙内在高温下减小并在较低温度下增加。

7.如权利要求6所述的形成热绝缘装置的方法，其中，所述多孔材料包含锻制二氧化硅、玻璃纤维、和碳化硅的混合物，并且其中，所述蒸气产生材料包含环己烷、1-丁醇、环己烷、乙醇、乙酸乙酯、或水蒸气。

8.如权利要求6或7所述的形成热绝缘装置的方法，其中，所述密封层包含聚合物材料和布置在聚合物层与环境之间的金属层。

9.如权利要求6或7所述的形成热绝缘装置的方法，其中，在所述间隙内的多孔材料中包括所述蒸气产生材料包含：在所述间隙内包括蒸气产生材料的胶囊，以及在沉积保形密封层之后破开所述胶囊。

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