CN1131141C - 热变色迭层片以及用于控制一种构造物温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可预测地改变其吸收或反射电磁辐射能力的热变色迭层片。本发明的迭层片有利之处是具有温度触发区域,即温度点或范围,其作用是减少或增加从迭层片反射出、或作为热能被迭层片吸收并传递给其下构造物的电磁能,尤其是在紫外、红外和可见光范围内的电磁能量。本发明的迭层片可以提供多种多样的颜色和温度触发点或范围,并且除了入射的辐射之外不需要外部的能量输入。本发明的迭层片可方便地单独使用,或与其它材料例如屋顶材料、壁材、热交换材料和其它热传送材料结合使用,因此可用于对其下构造物、或物体的温度控制。

Description

热变色迭层片以及用于控制一种构造物温度的方法

相关申请的交叉引用本申请要求1999年9月29日提出的美国临时申请60/156520号的优先权,在这里用结合作为参考文献。与本发明相关的背景技术本发明涉及按照可预测的可变方式吸收或反射电磁辐射的迭层片,因而可用来控制其下的构造物吸收或放出的热量。本发明的迭层片由至少一层热变色层和至少一层反射层构成,并且可针对其热吸收和反射参数可预测地变化。因此它们是动态热吸收-反射迭层片,可应用于,例如,控制进入或离开位于迭层片下面的构造物的辐射的吸收或反射,或热能的吸收或散发的有效方法。

发明背景已知热变色组合物随着温度的波动改变颜色。在其最简单的形式中,热变色合成物是随着温度波动呈现有色、或透射光状态的化合物和有机材料的特殊组合。典型状况是,当达到或超过触发温度时,热变色合成组分表现透射热能、或“紫外光(UVI)”辐射状态,然而,当降到触发温度以下时,热变色材料则呈现有色,并且相应地不能透过辐射能。热能或“紫外光”的辐射范围,亦即紫外线、可见光、和红外线频率范围,它们在吸收这些频率的物体上产生热。热变色材料的相对透明/不透明是动态的,它与特定热变色材料的触发温度或触发温度范围有关。例如,具有正好为华氏72度触发温度的热变色材料,在温度低于华氏72度时将会不透光,并因此会吸收在紫外光范围的热辐射,而在温度高于华氏72度时透明,或不吸收紫外光。

具有显色、并且当超过其触发温度时隐色至透明状态特性的材料是已知的。可历经多次显色、至隐色、至透明状态转变循环的材料是已知的。这种材料,例如,在美国专利5,919,404和5,558,700中有所叙述,在这里结合作为参考文献。

所有这里引述的专利在这里结合作为参考文献。

已知改变用来制造热变色合成物的化合物的比率可控制热变色材料的触发温度和着色/透明的相对灵敏度。另外,当热变色合成物在显色状态下时,最大显色密度也可控制为不同程度的半透明(即部分透明)、或是完全不透明。例如,美国专利5,585,425描述了制造热变色不透明/透明成分、迭层片构件。其它有关控制热变色材料性能的方法的专利,在美国专利4,028,118和5,919,404中有叙述。

已知热变色合成物可制成不同的颜色范围。例如,美国专利5,919,404叙述了制造很宽传统颜色范围的可逆热变色合成物的方法,同时美国专利5,558,700描述了制造荧光颜色的可逆热变色合成物的方法。还已知热变色合成物可根据希望的用途迭压到各种基质上,例如,美国专利5,352,649涉及热变色迭层片构件及制造用的成分和薄片;美国专利5,688,592(“Shibahashi‘592”);以及美国专利5,585,425。

在更复杂的形式中,热变色合成物可用惯常方法制成微胶囊形式防止材料同外界接触,保持其功能性并赋予其符合需要的属性和特征。美国专利4,028,118和5,919,404是描述热变色合成物的已知性能的很好的专利实施例。

还已知热变色材料可添加到热塑性塑料、聚氯乙烯(PVC)、或其它树脂中,并塑造成任意形状、或设计形式、或制成薄片(如美国专利4,826,550和5,919,404所述的)。例如,美国专利5,798,404叙述的一种方法,其中所述发卷(hair curlers)是用热变色热塑性塑料弹性体制成。

对增加热变色材料的人眼可见的颜色的耐光性,以及增加发光度(亮度)和降低可能由于阳光并且特别是紫外频率的循环引起的退色,在这些方面的研究已经颇有成效。这种研究的目的是开发更好效果抵抗照射到其上的光破坏热变色材料的配方。Shibahashi‘592专利叙述了一个例子,一层暗黄色紫外线过滤层覆盖在一层热变色材料(蓝色)之上。当热变色材料处于显色阶段,颜色加法规则适用,亦即,黄+蓝=绿。因此在该材料的显色阶段看到的颜色是绿色而非蓝色。在Shibahashi‘592专利中介绍的这一问题的解决方案是使两层结合,第一层是由涂有反射性金属光泽颜料如氧化钛的天然云母微粒喷撒到该层上构成的颜色反射层。提供了额外的特性,在热变色层上面,一层紫外线吸收剂,它过滤掉紫外线。反射层的功能之一是在光照射到紫外线吸收剂之前反射掉一部分光,从而使热变色层提供其下层的原色。但是,Shibahashi‘592专利没有认识到可利用热变色材料的可变透射率来控制构造物的热吸收或反射。

发明简述和目的本发明的热变色迭层片和使用它们的方法,由随着温度变化自动改变电磁能的反射或吸收的无源系统构成。因此,本迭层片针对预先确定的温度触发点或范围而工作,除了入射的辐射外没有能量输入。本发明的迭层片至少由两层构成,一层是具有一个触发温度或触发温度范围的热变色层,另一层是反射或部分反射层,它随着透射率的变化和相应的热变色层的颜色变化而隐蔽或暴露于入射到外迭层片的辐射能。与辐射或热能的吸收或反射有关的至少两层的交互作用可用来控制或调节其下构造物的热或其它能量的吸收。由此,本发明减少了为控制位于下面的构造物的温度,而使用常规能源如电力或天然气的需求。从下面的叙述和附图考虑,有助于进一步理解本发明的目的和优点。

本发明的一个目的是提供可用来控制其下构造物的热能的获取或散失而不需要额外能源的热变色迭层片。

本发明的类似目的是提供随温度的变化可预测地改变其吸收或反射入射的辐射能的热变色迭层片。

本发明还有一个目的是提供依赖于温度的变化可预测地使颜色改变的热变色迭层片。另外,本发明还有一个目的是提供使用热变色迭层片调节构造物的热能吸收和反射进而控制其温度的方法。

根据本发明的这一目的或其它目的,提供了热变色迭层片,它包括一个基础层,该基础层具有与如小型飞机库、汽车、房子或其它位于迭层片下的建筑物相连的构造物接触表面,以及与迭层片的热变色层相连的热变色接触表面。该基础层既能充分反射电磁辐射又能充分传导热能。本发明的迭层片也包含热变色层,该热变色层具有用来与基础层相通的基础层接触表面和用来传导电磁辐射(例如阳光)的外表面。热变色层具有可变的电磁辐射透射率,透射率的范围取决于热变色层相对于其触发点的温度,因此温度的变化导致热变色层的透射率的改变,进而改变热能传输进、或反射出其下构造物的速率。

对于本发明的迭层片,在其触发温度点或区域之上的热变色层温度的增加,导致颜色变成更加透明的状态,相应地增加热变色层的透射率,因此从基础层穿过热变色层反射和从其下构造物散失的电磁辐射量增加,并且因而减少了可被基础层吸收的热能量。类似地,在其触发点或区域之下的热变色层的温度的降低,导致颜色变成透射率低、或更不透明、或显色的状态,相应地降低了热变色层的透射率,因此从基础层穿过热变色层反射的和从其下的构造物散失的电磁辐射量降低,增加了可被基础层吸收的热能的量。因此,本发明的迭层片的热变色层的功能是可预测地改变反射性基础层对电磁辐射的可达到性能。所以,反射性基础层越容易达到,将入射辐射反射离开构造物的比例越大。反之亦然。

本发明的迭层片可经历许多次温度改变循环并仍然保持其有利的特性。本发明的热变色迭层片的透射率增加过程在温度降到低于迭层片的特定触发温度区域时可以逆转。类似地,热变色迭层片的透射率降低过程在温度升到高于迭层片的特定触发温度区域时也可以逆转。典型状况是,本热变色迭层片的透射率的增加或降低伴随着热变色层的不透明性、显色、或两者兼有的改变。

本迭层片的基础层具有典型的金属特性,例如,包括能反射阳光传导热能的金属,如铝。在某些情况下,在其下构造物或其下的热传导纤维上的金属性涂层,就足以满足基础层的反射性和热传导性以及热辐射性需求。但是,本发明的基础层并不局限于金属,任何兼有实现基础层的功能的反射性和足够的热传导性的材料都可用来构成本发明的迭层片。聚酯薄膜适用于本发明的某些实施例。

在某些实施例中,本发明的迭层片与其下的构造物,如建筑物的屋顶和外墙,温室的外表面,或沙漠掩体的外表面相连。最好基础层的热辐射系数可与下面的构造物所处的具体环境相匹配。例如,在某些应用中,可能希望适用较厚的铝箔作为基础层以便延迟入射辐射传导到其下的构造物中所需的时间。

本发明的迭层片尤其适用于阳光作为入射其上的电磁辐射的场合。其它形式的辐射,如来自于人工能源如加热灯或炉火,也可使该迭层片起作用。本发明的迭层片的重要特性为它是无源的,也就是说,它除了入射的辐射能外不需任何外部能源。

本发明的迭层片另一方面的重要意义在于其温度触发区域,也就是说,在一个狭窄的温度范围发生热变色层从对电磁辐射如阳光高通透到高度不通透,或从高度不通透到高度通透的转变。本迭层片可制成在特定触发温度点附近具有预设的触发区域。因此触发区域可以是几摄氏度或少于一摄氏度。例如,迭层片可设定为高度透明,即,在高于25摄氏度的温度下对可见光、紫外光和红外光透明或接近透明,而在低于22摄氏度的温度下显色或不透明。那么,温度触发区域将是从22到25摄氏度。在触发区域内,透明/不透明/显色的程度随具体的迭层片而不同。本发明的迭层片可根据需要制成较宽或较窄的温度触发区域,并且触发区域可设定在所需要或高或低的温度点。

本发明的迭层片可由能够塑成其下构造物表面形状的材料制成,其具有足够延展性能够符合不规则表面,例如,制成足够柔软的片状形式用来覆盖或包裹物体。本发明的迭层片也可与用来建造或覆盖其下构造物的常用材料组合或结合,例如,作为乙烯树脂板壁材料的外层。本发明的迭层片可由,例如,包括至少一种给电子酚类化合物热变色层制成,并且该化合物封闭在微胶囊中。此外,本发明迭层片的热变色材料可提供感觉上与其下构造物,或当地环境的外观相同的颜色。优选的是,在给定的迭层片的应用中,还向热变色层提供优化热能吸收率的颜色。

图2中的视图1给出了根据本发明的迭层片的截面视图,它具有反射性材料,如铝箔的基础层A,和由于实际上迭层片低于其触发温度而处于不透明状态的热致变色材料的热致变色层B。反射层保持不变。因为层B低于其触发温度所以不透明,层A不反射此时入射的热辐射,而是照射到层B被层B吸收。因此,层B和A两者都会升温,并且热能传到其下的构造物中。图2中的视图2给出了在图2中视图1的根据本发明的同样迭层片的斜视图。

图3中的视图1给出了根据本发明的迭层片的截面视图,它具有反射性材料如铝箔的基础层A和热变色材料的热变色层B,B由于迭层片高于其触发温度而处于透明(或清澈)状态。反射层保持不变。但是,由于层B透明(或清晰),所以层A反射热辐射,该热辐射通过热变色层B,不被层B吸收。因此,层A和B两者都不升温,因而其下的构造物不从入射的热辐射中吸收热能。图3的视图2给出了在图3中的视图1中已给出的根据本发明的同样迭层片的斜视图。

图4给出了本发明的迭层片敏感的热辐射的大致范围。

术语“一个”倾向于意味着至少一个,除非上下文另有说明。

“周围环境温度”表示迭层片周围的大气温度。

热变色材料的“触发温度”表示温度点或范围,此时材料本身达到某个预定的点或范围(触发区域)。在特别热的白天(例如90华氏度),在传统木瓦屋顶,木瓦的温度将达到150到170华氏度之间。然而,如果直射的阳光照在迭层片的热变色外层上,热变色层的温度将更快达到其触发区域,亦即获得周围大气的温度。

热变色层设定的触发区域是热变色材料从显色模式向无色模式转变、或其逆过程、以便暴露或隐藏反射或基础层的点或范围。本发明热变色材料的触发区域可以在许多不同的具体温度范围中定制。这种性能允许在某国的不同地区选择不同的触发点或区域。例如,通常温暖的地区可能需要较低的触发区域,希望尽可能增大迭层片的相对于热吸收阶段来说的反射阶段。其它倾向于较冷的地带需要设定较高的触发区域设定值,以便与反射阶段相比而增加迭层片的吸收阶段。

所希望的热变色层的触发区域取决于许多因素,例如包括平均温度、平均日照等级、平均舒适温度、和降水量。

至于“颜色的变化”,要求的是,当周围环境温度升高超过触发区域时,热变色层尽可能快地从显色模式(不透明)转向无色模式(透明)。同温度降到低于触发温度区域一样地重要,迅速从无色模式向显色模式变色。对于本发明的迭层片的一些实施例,大部分测试的热变色材料十分迅速的变色,通常以少于5分钟的时间达到触发区域的低端。

对于本发明的叙述,相应材料的性能很重要。“不透明性”表示光或辐射的难以透射性质或程度。在光学中,它表示入射到表面的光通量对透过表面的光通量的比率,它等于透射系数的倒数。在物理学中,它表示物质阻挡辐射的能力,这种能力用入射到其表面上的辐射通量衡量。在电磁学中,它表示从物体反射的电磁能对入射到物体上的电磁能的比率。

对于本发明来说,要求的是当热变色层呈现显色模式时,该层具有对辐射能的高度不透明性。高度的不透明性确保最大量的照射到热变色层上的辐射能转变成热能。它也保证反射层被充分覆盖从而辐射能不反射回大气中。

“半透明”属于具有部分反射和部分透射入射辐射的材料特性。

术语“透明”表示具有允许辐射或粒子通过而干扰很小的材料特性。透明材料透射大部分入射到其上的辐射。对于本发明来说,要求的是当热变色层是无色模式时,该层达到对辐射能的高度透明性。高度的透明性保证最大量的通过热变色层的辐射能被反射层反射回大气中。

“反射率”是材料反射热辐射(热能)的能力。在物理学中,它表示反射波的能量对入射波的能量的比率;入射辐射被不连续表面反射的部分。在本发明中,重要的是反射层或基础层有效地反射辐射能。大多数金属具有良好的反射性能并反射大部分辐射能。对于本发明来说,高反射率带来双重优势:1)在较温暖的月份,要求的是从迭层片覆盖的其下构造物中反射掉辐射能;并且2)在较冷的月份,当在构造物内部产生了热能时(例如通过家用暖气),要求的是将在构造物内部产生的辐射能反射回构造物中。

本热变色迭层片在一天的某些时间和一年的某些时间利用这一性能。当周围环境温度升高超过触发区域,反射层显露因而反射辐射能。当周围环境温度降到低于触发区域时,热变色层隐藏反射层因而减小了将辐射能反射回大气中的能力并且增大了热能的吸收。因此本发明的方法包括使用本发明的迭层片调节其下构造物或物体的温度。

“日光反射率”是日光能被所讨论的表面反射的比率。它是反射波对入射波的能量的限定值。因此,0.8的反射率等于80%的入射波反射比。通常提供比率或换算成百分比。

测定反射率的最标准的方法是用分光光度测量法,使用积分球测定每个不同波段的反射率。用一种平均处理,利用标准日光光谱,确定平均反射率。这种方法来自于ASTM(美国测试和材料协会(American Society for Testing and Materials))标准E903和E892。

“反照率”是反射率的另一种说法。

“吸收”是辐射能被吸收并转化成其它能量形式如热能的过程。吸收只在辐射通量进入介质之后发生,因此只对进入通量起作用而与入射通量无关,其中的一部分可能被介质的表面反射。一种物质,它吸收能量,也可能是折射、衍射或散射的介质;但是,这些过程不涉及能量的保持或转化,也明确地不同于吸收。

“吸收率”在热力学中表示被物体吸收的能量对入射到该物体上的能量的比率。吸收率通常用希腊字母α表示,对一个实物来说,吸收率介于零和一之间。在很多实际应用中,为简化分析,假设吸收率等于热辐射系数,通常用希腊字母ε表示,尽管一般地这些实际情形对每个物体不同。

与本发明相关的,热变色材料可带来许多不同的颜色。为了从该迭层片获取最大益处,优选具有高吸收率的暗颜色(例如黑色、或暗褐色)。在这种方式中,当迭层片处于热吸收阶段时,它尽可能快和多地获取热量。出于美学考虑,不同色彩的暗颜色也可用于迭层片,但会由于它可能降低吸收率而影响迭层片的整体性能。

对本发明迭层片所要求的性能是,当热变色迭层片温度低于触发区域时,迭层片吸收热能并传导到其下的构造物中以加热构造物。另外,当迭层片温度达到预定的触发区域时,本发明的热变色迭层片改变其吸收率。当温度低于触发区域时迭层片处于显色(热吸收)模式。在一般实施例中,本迭层片处于显色模式时是不透明的暗色,其提高了吸收率。高于预定的触发区域时,迭层片变成透明或半透明,显著地降低吸收率并显露出反射层。

“热传导率”是材料从一侧向另一侧传递热能的能力。当迭层片温度低于触发区域时,下面的反射层易于向构造物中传热是非常重要的。在与显色的热变色层(最大吸收率)结合时,希望在热变色迭层片中产生的热能容易地传递到被热变色迭层片覆盖的构造物中。这种性能也是我们所希望的,特别是当在迭层片覆盖的构造物,例如,顶楼中有过剩的热能时,可以从构造物中传递出热能。可以举例说明这种特性的好处,当炎热的一天结束时,房子的顶楼会有过量的热能积聚。顶楼的热空气通过对流传递热量给屋顶,然后屋顶向外通过热传导传递给反射层。这时就需要把传导给反射层的热量从构造物中传递并释放出去。

金属是优良的热导体,因为它们含有大量的可在金属中相对自由移动的电子,从而能从一个区域向另一个区域传递能量。而石棉、软木、纸和玻璃纤维都是不良热导体。在使用金属基础层的本发明的实施例中,金属的这些属性是有益的。例如,当外部温度低于触发区域时,经显色的热变色层吸收的热能通过热传导传递给具反射能力的铝层,然后由铝层再将热能传递给构造物。

通常,“热传导”是通过物质(分子运动)的直接热流动。它是由同一物体的一部分与另一部分,或一个物体与另一个物体的实际物理接触产生的。例如,如果铁棒的一端被加热,热能通过热传导经过金属被传递到另一端;同时它也被传递到其表面并传递给周围的空气,而空气是一种低密度体。通过在两个固体物之间的接触而发生热传导的例子是,烹饪锅位于加热炉的固体表面上。在材料之间可能的最大的热能流动是固体之间直接进行热传导的地方。热能总是从温暖处向寒冷处传导,不会从寒冷处向温暖处传导,并且总是经过最短和最容易的路线运动。一般地,物质越致密,传导性越好。非常致密的固体岩石、玻璃和铝是热的良导体。在物质中混入空气降低其密度,则其传导性能下降。

“对流”是在气体或液体中,由于材料本身的实际流动(物质运动)引起的热能传递。在构造物空间中,自然对流热流动主要是向上的,有些是向侧面的,没有向下的。这称为“自由对流”。例如,暖炉、人、地板、墙壁等等,通过热传导向与之接触的冷空气散失热能。这种外加的热能使空气的分子活动(加热),从而使空气膨胀,其密度减小,空气上升。较冷且密度大的空气从侧面和下面涌入并替代。通俗的措辞“热空气上升”可由烟从烟囱或香烟上升来例证。这种运动是向上的紊流,伴随侧向运动。也可由例如鼓风机机械引导对流,称为“强制对流”。

“热辐射系数”是释放或放射出辐射的比率。物体的辐射吸收是与其表面的吸收率系数成正比,是其热辐射系数的倒数。在热力学中,表示在同样的温度下和同样的环境中,物体放射的辐射对一个纯黑体辐射源产生的辐射的比率。热辐射系数通常用希腊字母(ε)表示,并且,对于实物数值小于1。

尽管两个物体可能相同,如果一个用90%热辐射系数的材料覆盖,而另一个具有5%热辐射系数的材料的表面,则导致来自这两个物体非常不同的辐射流程度。把四个以不同材料覆盖的相同材质的铁制辐射体同等地加热,然后加以对比,以此来论证这一点。一个涂以铝涂层,另一个涂以普通瓷釉,第三个用石棉覆盖,第四个用铝箔覆盖。尽管它们起始温度相同,用铝箔覆盖的那一个辐射却最少,例如,大约5%的热辐射系数。用普通涂料或石棉覆盖的辐射体辐射最多,因为它们具有最高的热辐射系数,(甚至高于普通铁)。在铝涂层或铝箔上面涂以普通涂料,使表面的热辐射系数变成90%。

表面几乎不不反射红外线的材料,例如,纸、沥青、木材、玻璃或岩石,具有从80%到93%范围内的吸收和热辐射系数。用于建筑的大多数材料例如砖、石材、纸等等不管其颜色,都吸收大约90%的红外辐射。有趣的是,可以观察到玻璃镜面是优良的光反射体,却是很差的红外辐射反射体。镜面对红外的反射率大约与黑色涂料涂层相同。

材料在一天中的某个特定时间和一年中的某个特定时间传输辐射能的能力是所要求的性能。当该迭层片的温度高于触发区域时,要求材料具有低热辐射系数,以转换为降低进入为反射层所覆盖的建筑物的辐射能的状态。

然而,低热辐射系数并不总是所要求的性能。如果在构造物(例如顶楼)中有过剩累积热能,就希望热辐射系数升高以便释放在构造物中累积的多余能量。幸运的是,由于热变色层具有良好辐射性能,并且当覆盖铝层时,则会使铝箔的热辐射系数升高,由此,甚至可以使用如铝箔(它还具有诸多其它所要求的属性)这样的低热辐射系数材料。

“红外热辐射系数”是介于0和1之间的参数,以它衡量暖、或热材料,以红外辐射形式散发其部分热的能力。这种辐射能的波段范围大致是5到40微米。大多数建筑材料,包括玻璃,在光谱的这一部分是不透明的,并且具有大约0.9的热辐射系数。诸如清洁无反射层金属材料是“0.9规则”最重要的例外。因而清洁、无光泽的镀锌钢具有极低的热辐射系数,并且铝屋顶涂层具有中等水平的辐射系数。一种辐射系数为1(“黑体”)的材料,每高于周围环境温度一摄氏度,每平方米发射大约6.1瓦特。

通常,“辐射”是电磁射线通过空间传播。辐射,例如无线电波,是看不见的。每种温度高于绝对零度的材料都向外辐射能量,包括太阳、冰山、炉子、或暖气片、人、动物、家具、天花板、墙壁、地板等等。辐射能从这些物体向所有方向沿直线辐射,直到辐射被其它物体反射或吸收。这些射线是看不见的,它以光速传播,并且没有温度,只有能量。当辐射能照射到其它物体的表面时,射线被吸收,只有这时才在物体中产生热能。这些热能通过热传导在整个物质中散布开来。

“辐射能”是通过电磁辐射传送的能量。当这些辐射被其路径中的物体吸收时,那么它可被部分、或全部吸收并转变成一些其它形式。例如,在微波辐射(大约ca.5GHz附近的电磁定量)的情形,当它被食物中的水吸收时,就转化成热。

“辐射加热”是其辐射(发射)释放率。物体的辐射吸收与其表面的吸收率成正比,是其热辐射系数的倒数。

直到本发明为止,可用作与其它材料结合制造动态热吸收和反射的无源系统的热变色材料是未知的。如图1-4所示,根据本发明的迭层片可用来帮助控制其下构造物,例如建筑物、交通工具、和地表的温度。下表阐明了发明的关键方面。表1

本发明的其它好处是迭层片重量轻,因此降低了屋顶支撑要求,并且,其应用可以充分降低冷却系统的负荷,以便安装较小功率的空调系统。

使用不同的屋顶可产生不同的结果。日光光谱的能量强度(W/m2nm)在可见光范围最高,并且全部太阳能(光谱)内容的大约60%包含在这一频率范围。表2.根据佛罗里达太阳能中心FSEC-CR-670-93

表2说明黑木瓦具有对太阳能的全部波段都很低的反射率。但是,黑木瓦具有高热辐射系数,即它可很好地把其吸收的热能发射出去。相比之下,铝屋顶具有优良的太阳能反射率但有很低的辐射系数,就是说,辐射热能不足。

根据佛罗里达太阳能中心#FSEC-CR-670-93研究,铝的低热辐射系数会损害其在屋顶和壁板中的应用。其原因是在每日太阳循环的时间内,构造物获取能量,并且,由于铝的热辐射系数低,与使用其它材料相比,热能在构造物中停留聚集时间更长。

本热变色迭层片有利地增加铝的热辐射系数。因为热变色层位于反射铝层之上,当处于显色状态时,热变色层升高,铝层的热辐射系数允许它释放所聚集的热能。

综上所述,本发明的迭层片:1)在夏天比标准木瓦获取的热能少,因而能保持其下的构造物较凉爽。

2)在冬天由于本发明的迭层片的反射层将辐射能反射回构造物内,故比标准木瓦保留的热能多。

3)在冬天比那些仅具反射性的屋顶获取的热能多。

4)在夏天比单一热变色材料获取的热能少;并且5)比单纯的金属箔、或铝片具有更高的热辐射系数。

铝箔是用于本发明的热变色迭层片反射层的一种理想材料。铝是理想的辐射能反射体,并且容易使用和方便回收。另外,铝是一种低热辐射系数材料。

通常,低热辐射系数即有优点也有缺点。为避免热能浪费,非常希望热辐射系数低。但是,当热能在构造物中积累时,低热辐射系数妨碍多余热能的释放。因而,由于铝的极低的热辐射系数,不能广泛地用作反射性屋顶材料,但是当铝与本发明处于显色状态的热变色层结合时,其热辐射系数则升高到与黑色木瓦屋面材料非常接近的程度。

但是在本发明的另一方面,当来自太阳的热能加热屋顶时,大部分热能会穿过外部屋顶材料传递给屋顶覆盖物的内表面。这些热能随后以辐射形式跨过顶楼空间传递给下一层材料,是顶楼绝缘材料的顶板或是顶楼的地板。适当地在屋顶表面和顶楼地板之间的许多地方之一处安装一种辐射屏障,会显著地减少辐射热能流动。

辐射屏障减少热传递。热能通过热传导、对流和辐射从暖区向冷区移动。当两材料是直接物理接触时,热能通过热传导从热材料流向冷材料。当液体或气体被加热、密度下降并上升时,热能则只有通过自然对流传递。热辐射或辐射热能,从热的表面离开并沿直线运动,同时加热挡在其路径中的任何吸收其能量的物体。

利用辐射屏障减少空间热能损失具有混合的试验结果,但在某些情况下使用辐射屏障,由于未能利用冬天获取太阳能的好处增加了加热成本。在寒冷气候中辐射屏障往往不怎么具备节能潜力。如果你生活在寒冷地区,通常不推荐安装辐射屏障。辐射屏障是阻挡夏天辐射能并节省空调费用的有效方法。在寒冷气候,人们往往考虑供暖而不是空调。尽管辐射屏障有利于保留住宅内部的热能,但阻挡顶楼的冬日辐射太阳热能获取。(摘自:能源效率和可再生能源网(EREN)-美国能源消费者能源信息部:EREC文献摘要-辐射屏障)(Energy Efficiency and Renewable Energy Network,USDept.of Energy Consumer Energy Information:EREC ReferenceBriefs-Radiant Barriers)。总的来说,本发明利用这样一种现象,在冬天加热构造物的能源来自于构造物内部的能耗炉或热泵,而在夏天,热量(能量)来自于太阳的热能。

当安装在其下的构造物上、或其表面时,本发明的迭层片既可用来保护该构造物或其表面而防止由入射热能引起的破坏,又能用来控制其下构造物的温度而不需要电力、电子、或电控制、发电机、或固定仪器因而节省能源和费用。

本发明的无源但动态的迭层片的一个潜在用途是,它可用于制造屋顶材料、或其它表面材料,这些材料暴露在阳光、或其它形式的热辐射中。例如,在一个实施例中,本发明披露的迭层片系统可设定为在72°F触发(或从能量吸收向能量反射模式转变,或其逆过程)。当周围环境温度升到高于预定的72°F的触发温度时,热变色层就会恢复透明状态因而暴露反射性材料。此时,反射性材料将开始反射阳光(在本实施例中的供暖/热辐射来源),从而减少通过屋顶吸收的热能量。在相反的阶段中,当周围环境温度降到72°F以下时,热变色层转变成其不透明/显色状态,从而实际上隐藏了反射材料,并将更多阳光转化成热能。选择热变色层,使其转变成极低反射率的颜色如黑色,从而使热能吸收率得以最大化。接着热能通过热传导方式传送给其下的构造物。

对热变色层进行优化可以提供对于所有波长的热辐射的最大程度的不透明状态。另外,可以选择反射层,以便当热变色层处于透明状态时提供所要求的最大反射率,并且当处于不透明/显色状态时提供所要求的最大的热传导性。

为生成反射性底层,使用标准消费级(consumer-grade)铝箔。在这里选择铝箔用作反射层,是基于其铝箔是良好的反射体和热导体。一般情况下,因为其极低的热辐射系数(大约0.04),所以通常不推荐铝本身作为屋顶材料,但是,当它与热变色材料迭压结合使用时,热辐射系数升高并因而成为可接受的选择。另外,铝具有其它的环境和成本的优势。

然后两层整齐地贴在一起形成迭层片。再将迭层片紧紧地贴在一个屋顶模型上,以使反射层平坦并紧密地贴住木制屋顶。在这种情况下,优选采用冷压方法,因为热压方法可能破坏热变色层。(注意:对其它市售热变色油墨也进行了测试,例如Chromatic技术有限公司的Dynacolor牌和Chemsong公司的B型热变色油墨。这些热变色油墨,基于若干因素,如干燥速度、耐久性、和不透明性,被认为不能满足这一用途。我们还关注了来源于许多不同配方的和具有不同用途的热变色油墨。)以下许多其它反射性材料也可使用,例如:铝、铜、黄铜、镀锌钢、金、银、金属合金、专用塑料聚合物,要求这些材料具有:1)对辐射能有足够反射性2)有良好的热传导率,并且3)低热辐射系数。注意:当热变色层处于显色模式时,反射层的热辐射系数增加。

通常,只有金属具有这三种所要求的性能。另外,一个有趣的现象是,玻璃镜虽然是优良的光反射体,却是很差的红外辐射反射体。镜子具有与黑色涂料的涂层大约相同的红外反射率。迭压处理迭压通常采用两种主要方法。第一种是热压法,而第二种是冷压法。除了实际上热压法使用热敏粘合剂,而冷压法使用压敏粘合剂、或紫外线敏粘合剂将膜的两侧结合在一起之外,主要原理是相同的。用于使膜结合的高温处理可能破坏热变色层,因而在这一步骤不推荐加热、或热迭压。温度记录4-通道数据记录器(Onset计算机公司的HOBO 4-通道外部数据记录器)用于每隔一分钟提供实时温度数据。这里使用3个温度探头,一个用来测量外部的周围环境温度,另外两个测量微型屋顶模型内部的温度。

温度探头放在基准模型内并记录(见下图)。还有一个温度探头测量周围环境温度,由第二个屋顶构成的模型也有单独的温度探头。测试步骤在所有测试过程中,对两个屋顶模型总是同时测量。周围环境温度由无覆盖的外部探头测量。所有测试都是基准模型(木瓦屋面材料覆盖模型)对热变色迭层片或其它不同的构造物遮盖物的相对测量。还分别测试组成热变色迭层片的不同部件,为的是证实迭层片比其构成材料更为有效。

大部分测试时期以5-7天的周期进行,这时模型会放置于户外以便得到最精确的现实结果。还在室内进行其它短期测试,目的是测试热变色迭层片或其部件的具体性能。图表1

图表2和表3提供了这些试验结果的概况,并展示了在一天的特定时间内迭层片的哪些性能处于活跃状态。通常,在前半天,当温度上升时,迭层片通过显色热变色迭层片吸收热能,然后热能通过热传导传递到第二层反射层(在这一实施例中是铝箔)。然后热能再通过热传导传递给构造物。尽管反射也起一定作用,但在这一阶段它起次要作用。表3

在第二和第三阶段,反射性性能起主要作用。当热变色顶层超过其触发区域时,它进入无色模式。反射性底层暴露出来从而能发挥底层的反射功能。

在第四阶段,随着热变色顶层进入显色模式,反射性底层的反射性不起作用。铝箔和其它金属箔本身的热辐射系数不是最重要的,不过,迭层片能够把反射层的热辐射率增加到接近类似于普通屋面材料的程度。图表2数据和结果

图表2给出表象曲线,它总结了数据并清楚地论证了热变色迭层片的不同性能。

图表2的曲线分为4个不同阶段。每个阶段依赖于所属阶段不同。阶段1表示从一天的周围环境温度最低点到周围环境温度达到热变色迭层片触发温度的点、从而在该点热变色迭层片变成透明/半透明的测量结果。阶段2表示从周围环境温度达到触发区域的点到当天最高周围环境温度的测量结果。阶段3表示从最高周围环境温度到周围环境温度降到低于触发区域的点,在该点热变色迭层片变成不透明的测量结果。而最后,阶段4表示从周围环境温度被触发点分割的点到最低温度的测量结果。

在阶段1中热变色迭层片处于“吸收模式”,我们注意到木瓦和热变色迭层片以非常接近的速率获取热能。事实上,木瓦增加热能仅仅稍快于(大约4%)热变色迭层片。这说明由于迭层片吸收并传递热能到构造物中的方式,因而热变色迭层片的吸收率与木瓦非常接近。纯反射屋顶在这一点上将反射辐射能,因而没有太阳能获取。

在阶段2和3中,热变色迭层片处于“反射模式”,我们注意到木瓦覆盖的模型继续加热,同时热变色迭层片覆盖的模型的热加速度开始降低。在阶段2中,木瓦覆盖的模型内部热的加速度比热变色迭层片覆盖的模型大78%。如果我们只看在阶段2和3中高于触发点的范围,我们可以看出热变色迭层片模型覆盖平均比木瓦覆盖模型少52%。这说明热变色迭层片成功地起到了把辐射能反射开,使之同构造物隔离的功能。

在阶段4中,热变色迭层片返回吸收模式,我们注意到通常较低的铝的热辐射系数已经上升到接近于模拟木瓦的程度。木瓦覆盖模型比热变色迭层片散热速率快5%。在夜间热变色迭层片继续保持较多的热能,并且在近12小时内平均比木瓦模型温高大约0.5度。舒适区域我们可把温度舒适区域定义为介于75-85华氏度之间,这是构造物不需任何内部冷却而处于舒适范围的温度范围,见表4和表5。

图表2的分析表明热变色迭层片覆盖的模型在216分钟的时期内保持在舒适区域中,而木瓦覆盖模型只在142分钟内保持在舒适区域中。热变色迭层片保持在舒适区域中的时间比木瓦长52%。另外,热变色迭层片仅仅在203分钟内平均高出舒适区域2.1华氏度,相比之下木瓦在299分钟内平均高出舒适区域5.8度。表4

表5

本质上,本热变色迭层片提供了相当于屋顶系统或类似物的开/关切换装置。它允许构造物在所希望的时间点任意吸收或反射辐射能。与此相比,其它构造物覆盖物不具备对外部温度条件的动态反应能力。覆盖物并非:·始终吸收辐射能(例如标准沥青木瓦),其主要优势在于温暖地区、或在温度上升时;或者·始终反射(例如反射性构造物覆盖层),其主要优势在于温和/寒冷地区、或当温度下降时。

本热变色迭层片的特征包括:·动态吸收/反射·动态发射·辐射屏障对于本热变色迭层片,当周围环境温度低于某个的触发点(例如,大约80华氏度)时,则充分利用太阳能。必要的时候,热变色迭层片可吸收热能并传送到它覆盖的构造物中。

当周围环境温度高于确定的触发区域(例如,大约80华氏度)时,热变色迭层片阻止获取太阳能。当需要时热变色迭层片就把辐射能反射开构造物。

本热变色迭层片在较高温度下呈反射性,而在较低温度下呈吸收性。另外,迭层片起辐射能屏蔽作用,或者在反射层可见时把阻挡辐射能,或者当辐射能来自内部时将辐射能反射回住宅内。

铝是极好的反射材料,但不认为是用于反射屋顶系统的良好材料,因为它具有极低的热辐射系数。热辐射系数是介于0和1之间的参数,它衡量温暖的、或热材料以红外辐射的形式散发其部分热能的能力。一般情形是,随着时间经过,它获取一些热能但要花费很长的时间来释放热能。

屋顶材料的热属性中最重要的是样品的阳光反射总量和红外发射。理想状态下,为降低冷却负荷而设计的屋顶系统具有极高的阳光反射率(抵抗太阳辐射)同时具有极高的红外热辐射系数(容易发射任何积累的热能)。

本发明还有许多其它好处。它的色彩可以通过定制以匹配某种特殊颜色(例如褐色砖住宅的业主可以选择具有褐色热变色层的瓦片使其与砖匹配。这可以改变瓦片的整体效果,因为不同的颜色有不同的热吸收率。(例如,黑瓦会比白瓦变得更热)。

此外,可在热变色迭层片系统的顶部、底部、或中间加入其它层、膜、或迭层。这对防护层、绝缘层、耐火层、防紫外线层、过滤层、防水层、防风雨层、屋面衬垫材料和/或粘接带是很有用的。这些组合的使用,不应当对热变色迭层片系统的全面性能产生不利影响。在一些实施例中,本发明的热变色迭层片成分可塑造或切割为任何特殊形状或大小,例如三接头(片)木瓦屋顶材料或与乙烯树脂壁材料结合。

本发明的好处包括动态加热/冷却控制系统。

本系统是无源的,并且自动响应预设的温度变化值。例如,本热变色迭层片无须为了工作而输入电能。因此它可在电源系统发生故障时工作。

本热变色迭层片通过动态地最大化、或者最小化构造物吸收的热量来节能。根据中部佛罗里达大学(University of Central Florida)的研究所,佛罗里达太阳能中心(FSEC-PF-293-95)进行的研究,与传统黑木瓦屋顶瓦片相比,刷白的(较高反射率)屋顶系统平均节省交流电19%,在夏天高达43%。如果不是更好的话,那么根据本发明的热变色迭层片系统屋顶至少具有同样好的效果,并且会每天24小时,每年365天有效。如果住宅安装热变色系统壁材,也可获得额外的好处。研究结果证明,由于安装了反射性屋顶的住宅组成的住宅区可起降低邻近周围环境空气温度的作用,并降低城市热岛作用的量级(在效果上使你的邻居感到凉爽)。还表明在中纬度城市,城市空气温度每1℃(1.8°F)的变化,可能节省2-3%的全系统夏季使用负荷。

本热变色迭层片通过降低加热、或冷却构造物所需能源来降低发电站的送电和污染(例如SO2、NOx和CO2)。此外,本热变色迭层片通过降低以常规方法,如以天然气、或石油加热、或冷却构造物所需的能源,来降低天然气的输送和污染。

虽然本发明已经参考其特定的具体实施例而加以描述,但是对于本领域技术人员来说,可以容易地对上述实施方案进行多种修改和改进,或应用于其它领域。可以做多种的改变,以及有多种的等效物可以取代。此外,可以做许多修改来适合特殊的情况、材料、组分、工艺、一个工艺步骤或多个步骤,而不偏离本发明的目的、精神和范围。所有这些改动均在本发明专利申请权利要求范围内。

Claims (36)

1. 一种热变色迭层片,包括:A)一个基础层,所述基础层具有一个构造物接触表面,用来与一个下面的构造物相连;和一个热变色接触表面,用来与一个热变色迭层片相连,其中所述的基础层对电磁辐射充分反射而对热能充分传导,以及B)一个热变色层,所述热变色层具有一个基础层接触表面,用来与所述基础层相连,以及一个外表面用来与所述电磁辐射相连,其中所述的热变色层对于所述的电磁辐射有可变的透射率,以及其中所述透射率的水平由所述热变色迭层片的温度决定,因此所述温度的变化导致所述热变色迭层片的所述透射率的变化,并且改变热能传递给所述其下构造物的速率,或者自所述其下构造物反射出热能的速率。
2.根据权利要求1所述的的迭层片,其中所述电磁辐射是热辐射。
3.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述热变色层的所述温度的提高导致颜色变化,相应地提高了所述透射率,以至穿过所述热变色迭层片的所述基础层反射的、以及从所述其下构造物发出的电磁辐射量增加,以及可由所述基础层吸收的热量因此减少。
4.根据权利要求1所述的迭层片,其中降低所述热变色层的所述温度导致颜色变化,相应地降低了所述的透射率,以至穿过所述热变色迭层片的所述基础层反射的、从所述其下构造物发出来的电磁辐射的量降低,以及可由所述的基础层吸收的热能量因此增加。
5.根据权利要求3所述的迭层片,其中所述热变色迭层片的所述透射率的提高,在所述温度降到低于所述迭层片的温度触发区域时可以逆转。
6.根据权利要求3所述的迭层片,其中所述热变色迭层片的所述透射率的所述提高,伴随着所述热变色迭层片对所述热辐射的不透明性的变化。
7.根据权利要求4所述的迭层片,其中所述热变色迭层片的所述透射率的所述降低,在所述温度升到高于所述迭层片的温度触发区域时可以逆转。
8.根据权利要求3所述的迭层片,其中所述热变色迭层片的所述透射率的所述提高,伴随着所述热变色迭层片的颜色的变化。
9.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述基础层包括一种具有反射阳光并传导热能的性能的金属。
10.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述基础层包括一种具有反射阳光并传导热能的能力的金属覆盖层。
11.根据权利要求7所述的迭层片,其中所述金属是铝。
12.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述基础层由聚酯薄膜、或其他织物构成。
13.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述迭层片安装在一个其下的构造物上,例如可居住的建筑物的屋顶、管路、管道、障蔽物、帐篷、飞船、车辆、防护服、覆盖物、卫星、船只、冷却塔、贮存罐、贮存容器,以及蓄液池。
14.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述的电磁辐射是来自于太阳光。
15.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述的电磁辐射是来自于人造能源。
16.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述基础层的热辐射系数与其下构造物所在的特殊环境匹配。
17.根据权利要求5所述的迭层片,其中所述触发区域范围从19到25摄氏度。
18.根据权利要求5所述的迭层片,其中所述触发区域范围从20到24摄氏度。
19.根据权利要求5所述的迭层片,其中所述触发区域范围从21到23摄氏度。
20.根据权利要求5所述的迭层片,其中所述触发区域范围小于半摄氏度。
21.根据权利要求1所述的迭层片,由可塑成适合于所述其下构造物形状的材料构成。
22.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述热变色迭层片包括至少一种施电子酚类化合物。
23.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述施电子酚类化合物封闭在微胶囊中。
24.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述热变色迭层片提供与所述其下构造物外观感觉相同的颜色。
25.根据权利要求1所述的迭层片,其中提供所述热变色迭层片一种在一个特定所述的迭层片应用中,能优化不透明度、或者所要求的反射程度的颜色。
26.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述热变色迭层片具有足够展性,能够符合不规则表面。
27.根据权利要求1所述的迭层片,其中所述热变色迭层片以充分柔软能够包裹物体的片状形式提供。
28.根据权利要求1所述的迭层片,另外还包括与一种或者多种建筑物外墙材料结合使用,所述外墙材料选自由热塑性塑料、乙烯树脂、铝、壁板、覆盖物、砖、木、铜、黄铜、镍、水泥、混凝土、砌块、石材、灰泥、石膏、粉刷材料、墙板、清水墙、涂料、聚乙烯、建筑纸、毡制品、ABS、聚碳酸酯、聚氨酯、聚合物、聚苯乙烯泡沫、丙烯酸涂料、金属、钢、铁、钢筋、金属丝网、网、金属箔、玻璃纤维、沥青、陶瓷、瓦片、木瓦、盖物板、和沙石材料。
29.根据权利要求1所述的迭层片,进一步包括至少一个附加层C,其置于所述层A和B之间,其中所述层C选自由紫外线过滤层、太阳能电池、过滤层、处理增强层、密封材料、玻璃纤维、网丝、网状物、着色层、增强膜、功能膜、特种膜、粘接剂、粘接带、和粘接膜组成的组。
30.根据权利要求1所述的迭层片,进一步包括至少一个附加层D,连接并置于所述的构造物接触表面和所述构造物之间,其中所述层D选自由粘结剂、粘结膜、防水层、防风雨层、屋面衬垫材料、防火层、加强层、丝网、网状物、玻璃纤维、木材、沥青、陶瓷、瓦片、钢、铝、铜、金属、金属箔、地沥青、颗粒材料和毡制品组成的组。
31.根据权利要求1所述的迭层片,进一步包括至少一个附加层E,连接所述热变色层的所述外表面,其中所述层E选自由紫外线过滤层、藻类阻挡层、霉菌阻挡层,菌类阻挡层、青苔阻挡层、地衣阻挡层、细菌阻挡层、防火层、特种膜、颗粒材料、防风雨层、和防水层组成的组。
32.根据权利要求1所述的迭层片,包括至少一个所述构造物的表面。
33.根据权利要求32所述的迭层片,其中所述表面包括所述构造物的一个屋顶。
34.根据权利要求32所述的迭层片,其中所述表面包括至少一个所述构造物的墙壁。
35.一种利用热变色迭层片来调节一个构造物的热能吸收、或反射,从而控制其温度的方法,包括提供紧密地与一个其下构造物、或物体连接,一个热变色层包括:A)一个基础层,所述基础层具有一个构造物接触表面用来与一个位于下面的构造物相连;和一个热变色接触表面用来与一个热变色迭层片相连,其中所述的基础层对电磁辐射充分反射而对热能充分传导,以及B)一个热变色层,所述热变色层具有一个基础层接触表面,用来与所述基础层相连,以及一个外表面用来与所述电磁辐射相连,其中所述的热变色层对于所述的电磁辐射有可变的透射率,以及其中所述透射率的水平由所述热变色迭层片的温度决定,因此所述温度的变化导致所述热变色迭层片的透射率的变化,并且改变热能传递给所述其下构造物的速率,或者自所述其下构造物反射出热能的速率。
36.根据权利要求3 5所述的方法,其中所述热变色迭层片是一种响应温度的变化可预测地实现颜色改变的材料。
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