CN1225054A - 绝热板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新的热绝缘板(1)。更具体地,涉及一种真空绝热板(1),它由一高度不透性真空外壳(10)形成,由一绝热层(20)支撑外壳,绝热层由具有0.5微米或更大尺寸的微孔的宏观结构支撑结构组成。优选,绝热板(1)含有一种吸气剂材料。另外,本发明涉及一种宏观结构构造的绝热层(20)。优选,绝热层(20)由具有一重复三维结构的几何形状的单元(26,28)组成,这种结构允许一绝热单元(26,28)和具有互补几何形状的另一绝热单元(26,28)相互堆加,并固定相邻绝热单元(26,28)在至少一个与堆加方面成90°的方向上的移动。

Description

绝热板
本发明涉及一种新的热绝缘板。更具体地，本发明涉及一种真空绝热板，它由一高度不透性真空外壳形成，由一绝热层支撑外壳，绝热层由具有0.5微米或更大尺寸的微孔的宏观结构支撑结构组成。优选，绝热板含有一种吸气剂材料。另外，本发明涉及一种宏观结构构造的绝热层。优选，绝热层由具有一重复三维结构的几何形状的单元组成，这种结构允许一绝热单元和具有互补几何形状的另一绝热单元相互堆加，并固定相邻绝热单元在至少一个与堆加方面成90°的方向上的移动。
美国专利4,055,268公开了一种具有真空空间的双壁冷冻储藏容器，它含有多层包括薄辐射层的绝热层，层之间用永久性的预压纤维板隔开。
美国专利4,513,041公开了绝缘板，其中插有真空的微孔。每个真空微孔由一刚性塑料管构成，两端用钻孔塞封闭，管子放在高度不渗透塑材的薄柔性外壳中。该外壳延伸超过刚性管的两端并在硬刚性管被抽成高度真空后通过熔焊密封。
美国专利4,579,756公开了一种由许多气密封隔室制成的绝热板材料，每一隔室为局部真空，相互紧挨着隔开放置在一起，以形成有这种隔室的板材。
美国专利4,783,356和4,837,388公开了一种绝热制品，它有外部板状弹性材料的结构单元，这些单元通过与作为内部结构单元的刚性可变形材料粘结固定，并变形成一定的形状，接着内部结构单元保持变形的形状而外部结构单元弹回它们初始的形状，形成了微孔，孔内为局部真空。
美国专利4,791,773公开了一对板材，它形成了内部具有波浪形带状隔离物以及板材四周有边缘隔离物的夹层物。在边缘隔离物之间的空间抽真空，使装置绝热和固定。
美国专利5,018,328公开了一种具有柔性不透气壁的真空绝热板，壁是由许多大致相邻的隔室组成的。多个隔室是通过保护至少一个室被其它真空室包围的真空特性来提高板的长期绝热性能。这就导致了形成内隔室的内壁两边十分小的气压梯度，以减少气体和蒸汽渗透进入内室，因此大大地提高了绝热板的寿命。另外，这容许吸气剂合理放置，使吸收某些气体的吸气剂放在外室而吸收不同气体的其它吸气剂可以放在内室，以提高绝热板的寿命。
美国专利5,032,439公开了绝热真空板，它由压缩的低热导粉末内核和将它包封并抽成低压的陶瓷/玻璃外壳形成的。
美国专利5,082,335公开了一种具有真空绝热系统的致冷设备，其中真空绝热板和聚氨酯泡沫的组合产生了绝热性能和结构支撑。
美国专利5,082,335公开了一种具有真空绝热系统的致冷设备，其中真空绝热板和聚氨酯泡沫的组合产生了绝热性能和结构支撑。
美国专利5,090,981公开了一种制备高R值的超绝热板的方法；美国专利5,094,899公开了一种绝热板，它包括有一种无机纤维板，其上无有机粘合剂的纤维，和填充在纤维板和包裹纤维板的气密封外壳之间的间隙内的颗粒材料，外壳为真空；美国专利5,330,816公开了一种超绝热板。
美国专利5,107,649和5,157,893公开了一种超薄紧密型真空绝热板，它包括两个硬的但可弯曲的金属壁板，紧邻的壁板相互之间间隔开并在边缘熔接封闭成真空室。玻璃或陶瓷间隔物使壁板保持分开。
美国专利5,252,408公开了一种真空绝热板，它是由四周焊接的金属壁室形成的，确定成一孔腔，在孔腔内放置一种固态压缩的颗粒材料块。颗粒材料，优选活性碳黑，硅胶或它们的混合物，作为辐射热传导透过板的阻挡层，作为一种吸气剂保持孔腔内的真空，并且具有适当的密度，当孔腔被抽空时支撑板的壁防止塌陷。
美国专利5,271,980公开了一种柔性绝热板，它包括一块柔性外部板和相对的另一块柔性外部板，每块板包括许多波纹状不透气层，结合闭气密封形成内部空间，内部空间抽除空气。隔离物对薄层受压以平衡面向的压缩力。抽真空的绝热板在使用和应用中都是柔性的。
美国专利5,376,424公开了一种绝热材料，它被填充在一密封袋中，袋由一种正面材料和一种反面材料构成，每种材料都是由一种金属箔组成，并且绝热材料夹在一粘结结合在其一面的塑料薄膜密封层和一粘结结合在其另一面的塑料薄膜表面层之间。
美国专利5,398,510公开了一超绝热板和一热电装置，热电装置可以在致冷器或其它类型的封闭结构中将温度保持理想的值。
美国专利5,399,408公开了一种用于热绝缘的绝热体，它包括有可以被抽真空和被充填固态，微孔绝热材料的外壳。
美国专利5,445,857公开了真空绝热板，它具有可以限制热扩散的纹理表面。
美国专利5,505,046公开了一装置，它含有一动力供应源和控制系统以使用热电设备在封闭结构中保持温度。
美国专利5,522,216公开了一种致冷器，它综合了热电设备超绝热材料和相变材料的优点以产生一种对环境无害的系统，这种系统是节能的并且用相对较低的电力可以在较长的时间保持相对一致的温度。
本发明涉及一种绝热板，绝热板有一高度气体阻挡材料的外壳，优选由至少两部分组成，上部分和下部分，气体阻挡材料围绕支撑外壳的绝热层。外壳有密闭的边缘并抽真空形成绝热板。另外，本发明涉及一种由重复三维结构的几何形状单元组成的绝热层，这种结构允许一个绝热单元和具有互补几何形状的另一绝热单元堆加，并且固定相邻绝热单元至少在一个与堆加方向成90°的方向的移动。这种容许一个绝热单元和另一绝热单元堆加的重复性三维结构形成了具有0.5微米或更大尺寸微孔的宏观结构。
示意图的简单说明：
图1是本发明一个实施方案中的具有纤维或纤维和粉末绝热层的板的等距截面图；
图2是本发明另一个实施方案中的具有粉末绝热层的板的等距截面图；
图3是本发明另一个实施方案具有玻璃球或塑料球绝热层的板的等距截面图；
图4是本发明另一个实施方案具有开孔材料绝热层的板的等距截面图；
图5是本发明一优选实施方案具有由交错堆加绝热单元组成的绝热层的板的等距截面图；
图6是绝热单元的等距截面图，绝热单元有三维结构以在两表面之间形成本发明绝热层的一种结构；
图7是本发明绝热层结构的示意图，它显示了三个绝热单元，外部单元受压而交错单元受拉；
图8是图7绝热层的示意图，它显示了通过绝热层的热传导途径；
图9是图7绝热层的示意图，它显示了透过绝热层的典型热辐射途径；
图10是具有多层绝热单元的本发明一种多层绝热层结构的截面图；
图11是在两表面之间本发明另一种绝热层结构的等距截面图；
图12是显示了绝热层处于两弧形表面之间的一种绝热层结构的等距截面图；
图13是本发明另一种绝热层结构的等距截面图；
图14是本发明另一实施方案板的等距截面图，板具有使用仅有一个表面有三维结构的绝热单元和一交错堆加绝热单元的绝热层；
图15是使用仅在一表面上有三维结构的绝热单元和多个交错堆加的绝热单元的绝热层的等距截面图；
图16,17和18是在板中具有不同孔结构和每块绝热板中都有吸气剂的板的截面图。
当本发明的可专利特征和现有技术相比较时，可以最好地理解本发明。在美国专利5,094,899中描述的高R值超绝热板被认为现有技术的绝热板；但是，这些板有一严重的不足。该不足就是板的边缘损失大，意思是当在板中间有非常高的R值而在边缘部分R值是非常低的。如本专利图1所示的，板10有金属箔外壳14。当板10放在如图3中所示的盒子结构中时，那么两个金属对着金属的表面就处于边缘或角落位置，这意味有了两个热传导高的表面，从热室到冷室的距离短。在边缘或角落处的热损失是一个问题，它大大地降低了仅在板中间测量得到的R等级板的整个R等级。相比之下，本发明的板采用了皮层或外层材料，材料为高度气体阻挡材料，大大降低了边缘部分的绝热损失。
现有技术的另一个不足是这儿指微结构支撑绝热层的板的使用。这种支撑绝热层在美国专利5,032,439中有阐述。用于微结构支撑系统的材料包括微孔粉末如气凝胶和微孔开孔聚苯乙烯或聚氨酯泡沫。这些材料典型的最大和最小孔尺寸在表1中图示列出。设计这些绝热层以通过尽量地减小绝热材料中的微孔尺寸来缩小热传递的气导部分。虽然尽量减少气导部分似乎是可取的，但是伴随着绝热板中的微结构支撑的问题是通过固体的热传导成了对整个绝热性能的限制性因素。另外，没有有效的方法去减少热传递中的辐射部分透过绝热板的微结构支撑绝热层。
相比之下，本发明的另一个特征是宏观结构支撑系统的使用，这儿意味着绝热层含有0.5微米或更大尺寸微孔的结构支撑系统。宏观结构支撑系统可以设计成使固体导热的渗热途径壁延长，超过在微结构支撑系统中可能的长度，并且可以结合更多连续辐射阻挡层以有效地减少辐射热传递。
在此所有的微孔尺寸定义为：
通过绝热层中一典型孔接近中心的点到结构表面所测量的无数线的计算平均距离。
现在参考图1，本发明的板1有一外壳10，优选由上部外皮层12和下部外皮层14组成，外壳包围着绝热阻挡层20。在板1制作中，外皮层12和14要超过绝热层20，这样可形成外壳10围绕绝热层20，并且形成密封边缘16。绝热层20支撑和保持外皮层12和14组成的外壳10，防止当板1抽真空时相互间塌陷。每块板1有固定的尺寸和可以有不同构型的外部密封边16。图1中显示的板显示了上部皮层12和平状下部皮层14放在一起所形成的密封边16。密封边16是使用胶粘剂，通过热焊接或通过镀涂金属再焊接密封的。
本发明的皮层优选高气体阻挡材料，其特征是氧气透过速率(OTR)少于5×10-4cc(STP)/100in2/天〔立方厘米@标准温度和压力每100平方英寸每天〕和热导率乘积小于5×10-4Wm/mK。热导率乘积是皮层或高气体阻挡材料的有效热导率(单位W/mk，瓦特每米开尔文度)乘上皮层的厚度(单位米)。有效热导率考虑了皮层或高气体阻挡材料，如聚合物，涂敷金属的聚合物，涂敷金属箔或陶瓷的聚合物，组成层的热导率。
板1的外部皮层14和16可以是一种层合物，选自多层的金属涂敷的聚合物，多层的非金属涂敷的聚合物以及多层高气体阻挡的聚合物。金属涂敷或非金属涂敷聚合物是具有金属涂层如铝，或陶瓷涂层如SiOx的聚合物薄层。适合于作为本发明板皮层的层合物优选由二层或多层高气体阻挡材料组成。层合物的每一层都有一种特定的功能。在最简单的装置中，层合皮层包括两种材料。一种材料给层合皮层提供气体阻挡性能而另一种材料提供一种可热封材料，用于将层合皮层和它自身粘合例如以制成外壳或袋，或将层合皮层和另一种材料结合。典型的具有适中的阻挡性能的多层组合是0.00048英寸厚度镀金属的聚酯薄层，中间使用一种胶粘剂与0.002英寸厚的聚乙烯薄层层合。在这种结构中，镀金属的薄层聚酯提供皮层的气体阻挡性能。聚乙烯层对层合物添加了结构强度并且为热封外壳边缘提供必要的可热封层。
镀金属的典型聚合物薄层包括取向聚丙烯，聚酯，和尼龙，这归因于它们的强度，耐击穿性能，温度范围，成本和低渗透性能。其它高气体阻挡材料是涂敷一种非金属涂层(如陶瓷或SiOx涂层)的这些相同聚合物，一般它们具有比镀金属或铝的薄层更好的阻挡性能，这部分依赖于每种材料的厚度。
一些聚合物本来就有低的气体渗透性能并且在层合结构中可能根本不用涂敷。但是，为了适合作为本发明绝热板的皮层，需要多层聚合物。合适的材料包括氟化氯化热塑性塑料(例如ACLAR,Allied SignalPlastics的一种产品)，聚偏二氯乙烯聚合物(例如，Saran，杜邦公司的一种产品)，聚氟乙烯聚合物(例如，Tedlar，杜邦公司的一种产品)以及乙烯/乙烯醇聚合物(简称EVAL或EVOH)。
绝热板1的外部皮层14和16可以是一种液晶聚合物。这些新的热塑性塑料是芳族共聚酯热塑性聚合物，它们在熔融态和固态都呈现高度有序结构。所知的液晶聚合物在美国专利4,161,470中有描述，在这儿被作为参考文献。这些聚合物是Vectra A和C树脂，一种基于聚(苯甲酸酯-萘甲酸酯)的全芳族聚酯或Vectra B树脂，一种基于聚萘甲酸酯-氨基酚基对苯二甲酸酯的全芳族共聚酯酰胺，均为Hoechst Celanese产品；杜邦化学公司的Zenite树脂，它被描述仅基于芳香聚酯；Amoco化学公司的Xydar树脂，一种对苯二甲酸，对羟基苯甲酸和由酯键相连的p,p′-联苯酚的三元共聚物。这些聚合物呈现出低热导率和低渗透性能(这意味着它们是高度气体阻挡材料)，这使得它们很理想并适合于绝热板1的外部皮层。优选使用热塑性材料作为皮层12和14是因为它们的低热导率，它显著地降低了绝热板1边缘18的热损失作用，特别与金属皮层绝热板相比较时。热塑性绝热板可比金属皮层绝热板的边缘热损失少几个数量级。这边缘对整个绝热板或外壳的影响依赖于绝热板的整个尺寸。板和外壳越小，则为边缘损失付出的代价越高，并且大大地缩小高R值，而高R值可能在板中间存在。
因此本发明的一方面是能够形成制备绝热板外壳的皮层。如图1所示，由纤维和颗粒21制成的绝热层20被由一种成型的液晶聚合物制成的外壳10，或一种柔性多层层合高阻挡皮层所围绕。显示的外壳10有成型的上部皮层12和平状下部皮层14；但是，皮层12和14可以有任何尺寸和形状的构型。本发明的板1优于美国专利5,094,890显示的板的地方是本发明的板具有低得多的边缘损失。本发明的板1的边缘损失比本专利双层金属箔边缘至少低5倍。
虽然未在图1中显示，在板中可以有一种吸气剂材料。吸气剂是一种吸收甚至在抽真空后仍旧存在于绝热层20间隙中的气体，或透过绝热板皮层的气体的材料。这些吸气剂是固体，它们通过物理吸附，化学吸附或吸收捕获或“得到”真空空间中的气体而作用。保留在外壳中或随时间透过外壳的典型热导性气体包括水蒸汽，氢气，氮气，氧气，二氧化碳或一氧化碳以及其它大气中的气体或在制备过程中释放的气体。典型的吸气剂是锆和铁的合金(例如，St 707,SAE Getters/USA,Inc.的商品名)，合金被设计吸收氢，氧，水，二氧化碳和氮。用于本发明绝热板的优选吸气剂是COMBO超级吸气剂或超级吸气剂，SAESGetterts/USA,Inc.的产品，它是一种单一的钡锂合金或混合有氧化钡和钯或钴氧化物。吸气剂可以以固态形式放在板1的单个位置或多个地方。另一种方法是将吸气体加入聚合物层中。
采用层合物的皮层或一种液晶聚合物(至少用作外壳10的一个皮层)和由纤维以及颗粒21制成的宏观结构绝热层20一起形成如图1中所示的真空板1。颗粒22的宏观结构绝热层显示在图2中。板1具有由玻璃或塑料球或球23的宏观结构支撑系统制成的绝热层20，如图3中所显示的；或由开孔材料24如软木，一种发泡热塑性塑料或复合材料制成的绝热层20，如图4中所显示的。由液晶聚合物或一种多层柔性层合物制成的高气体阻挡外壳10和吸气剂一起使板1中的真空具有长期性，由此提供一种在数年时间高度有效的真空绝热板。
现在参考图5，显示了一种优选绝热层20。这种优选绝热层在美国专利申请系列号08/682,933(申请日期07/08/96，题为“绝热层”)中有完整描述，在此被列入作为参考文献。本发明绝热层的独有特征是绝热层20是由交错堆加的绝热单元组成。因此，有几个不同的(至少2个)绝热单元26和28用于制备本发明的绝热层20。对这一应用来说，“堆加”要求两个相邻的绝热单元每个都有相应的三维结构，结构是一个与另一个相配但在两个单元之间具有最小的表面接触。“堆加”(stacking)是相对于“嵌套”(nesting)，有相同的三维结构的产品(如DIXIE杯，DIXIE是James River corporation的注册商标)当一个放在另一个中时将成嵌套并且在相邻杯表面之间有很大的接触。当单元之间有相应的但不同的结构而不是相同或一致的结构时就出现堆加并且固定相邻单元至少在一个相对堆加方向成90°的方向移动。优选的绝热层是用一对绝热单元组成，一单元有特殊三维结构而另一单元有相应的三维结构，这可以使两个相邻的单元堆加。
一个特殊的绝热层必须论述绝热层所遇到的三种热传递类型；即，对流，传导和辐射。大部分现有的绝热系统讲述一种或两种而不是绝热层所遇到的热传递的全部三种类型。另外，当系统使用真空时(低度真空，10-3torr或更高压力；高度真空，10-3torr或更低压)，用于分开和维持气体阻挡材料外部皮层分开的绝热层同样必须承受大气压的负载。本发明的绝热层论述特殊绝热层的热传递的所有形式和负载要求。
如同大部分的绝热层，本发明的绝热层是用于充填冷热面之间的空间并且在充填空间中减小通过在该空间中气体对流的热传递。对流热传递需要与表面相接触的流体(气体)流动。本发明的一方面是在绝热层中的任何气体空间尺寸可能是很小的，减少了气体的流动。对流热传递通过除去此空间的气体，即抽真空，进一步减小。任何这样的真空系统要求一种结构支撑外部大气压和内部减压之间的压力差。固体传导热传递是通过延长通过固体热传导途径的长度来减至最小。辐射热传递是通过使用多层热反射面来减至最小。可以理解当描述面之间的空间或给空间抽真空，所指的空间可能是在固定面之间的，如在盒式结构中的盒子，或指板中的空间。
通过固体的热传递Q是与材料的平均热导率(在两个温度下测量得到)(Km)，热流动通过的截面积(A)和导热材料两边的温度差成正比，但与导热途径的长度(L)成反比。本发明的绝热单元做得尽可能的薄以减小热流动通过的截面积(A)。绝热单元的厚度受到受拉单元的拉伸强度和受压单元的抗弯曲性能的限制。形成本发明绝热层的绝热单元堆加是尽量加大透过绝热层的热途径的长度(L)，由此减小热传递。因此A/L的比值被减小。
在一个实施方案中，用于制成本发明绝热层的绝热单元是由一种高度辐射面的结构材料制成的，它形成了一种容许堆加的具有重复三维结构的几何形状。在另一个本发明的实施方案中，绝热层的上面单元和下面单元如同在绝热层中使用的其它单元一样厚度是不一致的并且不需要有高度辐射的面。交错“堆加”绝热单元的重复性三维结构是不一致的但是互补的。当交错单元的重复性三维结构导致“堆加”而不是嵌套，并且固定相邻绝热单元至少在一个与堆加方向成90°的方向移动时，则两个不同的绝热单元是“互补”的。
互补单元优选交错地放在绝热层中；但是，当超过一个绝热单元在绝热层中被嵌套，被嵌套的单元不被认为是在绝热层中的交错单元而被认为相当于有嵌套单元混合厚度的一个单元。嵌套单元可以用在绝热层的上部和底部以在不明显增加绝热层高度下增加强度。
参考图6，图中显示了一种本发明绝热层20的结构，一种绝热单元的梁式(beam)结构。在这种梁式结构中，上部和底部绝热单元32的重复性三维结构的截面是具有一定基线和幅度的正弦波；而相邻绝热单元34的重复性三维结构的截面是具有相同基线和较小幅度的正弦波。在这种梁式结构中，绝热单元32和绝热单元34三维结构上的差异就是互补结构。交错单元的互补结构如图所示形成堆加并进一步固定相邻单元使得它们在与垂直堆加面成90°的水平面中不能移动。
参考图7，很明显绝热单元的交错堆加使绝热单元32受压而使绝热单元34受拉。
绝热单元是通过将材料如热塑性塑料，热固性塑料，陶瓷，金属或复合物形成一几何形状而制成的。热塑性塑料可以通过挤出、注塑、吹塑或热压成型；热固性塑料和陶瓷可以通过模塑或热压成型；金属可以通过冲压或热压成型。许多适合的热塑性塑料是复合物因为它们含有其它纤维，精细颗粒或薄层形式的材料如纸，玻璃或聚集体。
用于制备本发明绝热单元的材料的选择主要关系到材料的热和物理性能。没有单一的材料性能对制备本发明的绝热单元是决定性的。例如，金属如铝的热导率是高的，由此以单种材料制备绝热单元并不比其它材料即热塑性材料适合于制备绝热单元；但是，铝有高度辐射表面。另一方面，一种由铝薄层在热塑性塑料上作为辐射面组成的复合物是一种材料，其中金属和热塑性塑料的复合物的热导率仅比热塑性塑料的热导率高一点点，它是非常低。如同将在下面更详细地解释，优选复合材料作为本发明绝热单元的材料，特别是那些层合在另一材料上的具有高度辐射面的材料。
现在参考图8，因为热传导途径是从外表面40首先到第一个绝热单元32，然后仅通过两个单元的接触点到绝热单元34，所以热传导途径被延长或增加。同样，在绝热单元34和第二个绝热单元32之间的热途径被进一步延长，如图8中的箭头所示。本发明绝热层的热途径L比现有绝热层高出数倍并且一般能够延长热和冷表面40和50之间的距离至少2～5倍。
在本发明的绝热层中也论述通过存在于绝热层空间中的气体的热传导。优选本发明的绝热层放进抽成真空的空间中。当抽真空时，在绝热层空间中的气体(空气或主要是氮气和氧气)除去减小了通过绝热层的传导热传移。另外，本发明的绝热层具有多层(阻挡层)以减小气体的运动将传导热传递通过绝热层空间。当绝热层空间被抽真空时，绝热层20支撑表面40和50(面40和50可能分别是板的皮层12和14)。本发明的绝热层20必须是能够承受真空结构的高度受压负载以平衡大气压的负载。这个负载参数将影响本发明绝热层的几何形状选择(这个参考和对几何形状的影响将在下面更详细地描述)。绝热层所放置的空间抽真空可能在低度真空或高度真空。
和选择绝热单元的材料以得到材料最小的平均热导率(Km)以及堆加本发明的单元以减少A/L的比例一样重要，优选成型的绝热单元表面是高度辐射的面。本发明绝热层的这个特征讲述热传递的辐射部分。因为通过辐射热传递是直接与辐射率成正比而辐射率是辐射强度的倒数，表面的热辐射强度越高则热传递越低。本发明优选的绝热层具有多层至少有一个连续热反射材料的面的单元以大大降低辐射热传递。本发明优选的绝热单元是由一种有一个具有理想的高度热反射或辐射表面的材料制成。因此，制备绝热单元的优选材料是复合物，这意味或是一种具有高度辐射表面的外层材料的层合复合物或一种在单元被形成几何形状，例如梁式形状，之前或之后进行涂敷或处理的材料。在本发明绝热单元的高度辐射表面之间的辐射热途径的示意图表示被显示在图9中。
如上面选择的附加参数可以生产本发明绝热层，除任何边缘影响外，它具有高于最熟悉的绝缘系统3～10倍的R值(绝热的标准等级)。因此很明显本发明的绝热层讲述了一种特殊绝热层的所有四个参数并且好于任何现有的绝热层。
本发明的另一特征是优选的绝热层是多层。多层绝热层20是用任何数量的绝热单元形成的。在一优选的绝热层20中，参见图10，有奇数个单元，上部和底部绝热单元32(它们分别与表面40和50接触)受压而交错绝热单元34受拉。对于可以用于形成多层绝热层20的交错堆加绝热单元的数目是没有限制的。明显地，堆加中使用的绝热单元数目的重要性是通过伸长L减小A/L的比值以及减小辐射热传递。此外，通过在绝热单元的吻合表面处存在的小面积接触减小热传递。在通过绝热层方向或在表面之间(一热和一冷)的方向的绝热单元数目越多，则绝热层的绝热性能越好。
堆加绝热单元的几何形状并不限于由正弦状波结构形成的梁状。如图11中所显示的，几何形状可能是锥形或锥状；由此具有重复性三维结构的锥体35的绝热层20放进两表面40和50之间。为了使本发明的绝热单元具有重复性三维结构，在单元的整个尺寸范围几何形状不需要是规整的。换句话说，使用正弦状波结构形成的绝热单元可以有多个重复，如2～4的梁式三维结构，然后以没有重复性三维梁状结构的平型部分延伸。交错的三维结构是其中梁状或锥状结构之间的空间用不同长度的平型部分延伸的结构。绝热单元可以被形成另外的几何形状或不同形状的组合(即，梁和锥体的组合)，绝热单元可以包括加强条，以及可以织构以提高结构性能和绝热性能。这些比较方案的考虑因素是制造的容易性和要求支撑绝热层20必须承受的最终负载的单元厚度。锥状结构的一个特点是绝热单元的堆加固定了与堆加方向成90°的两个方向的运动。
当在绝热层的某种结构上抽真空时，受压的绝热单元32可以有小孔36(见图11)以容许陷在由堆加的绝热单体所形成的空间中的气体除去。这些小孔36是随机的并且可以设置位置使它们对单元的结构性能有很少的影响。在一些堆加的构型中，其中空间是相当封闭的，小孔可能在受压单元和受拉单元中。设置小孔36是将单元一侧密封的或受限制的空间向更大的空间打开以便在绝热层被抽真空时除去气体并且不允许有包埋。
本发明的优选绝热层20的一些实例被显示在面40和50之间而没有描述那些面。原因是那些面可能是一个结构的部分，而与板1或绝热层无关，如一盒或致冷器内的盒子(在这儿面是那种结构的外盒和内盒)。可以理解当表面之间的空间被描述抽成真空，它可以施加到板材或非板材上。盒式结构中的板或盒子空间都能抽成真空。在某些情况，除去的空气用比空气热导率低得多的气体，如氩，氪，氡、氙取代，压力可能低于常压。同样，优选板被抽真空，其中表面是绝热层的外壳。
当绝热层所处于的空间被抽真空时，可以采取几种方法去克服承载在与板外表面或皮层相接触的外侧绝热单元上的部位。参考图10，图中受压的绝热单元32与表面40是点接触。一种方法是设有凹形结构的负载分流体37，一种固体或可压缩结构，在绝热层20与表面40相接触的部位的厚度被加倍。另一种方法是在两受压的绝热单元之间用一互补性受拉绝热单元相对和抵消受压绝热单元。
重复性三维结构的选择对绝热层20的结构特征有影响。在三维结构选择中一个考虑因素是结构承受在绝热层20上的负载，如当表面40和50之间的空间被抽真空时。在三维结构选择中的另一个考虑因素是绝热层能否弯曲。梁式结构的绝热层20能够如图12中显示的弯曲。这种绝热层20可以用于绝缘弯曲表面45，如罐或管。外部表面50可能是一种易弯曲成弧线表面的材料以便于绝热层20固定就位。
在图13中显示了另一种弧形表面结构。在这种实施方案中，外部表面47具有与上部或外侧绝热单元同样的三维结构，绝热单元是绝热层的一部分并且形成绝热层20。图13中的表面47结构是与受压绝热单元一样的梁式结构；但是，该结构可以与受拉绝热单元相同。表面47和绝热层20中的绝热单元的唯一差别是材料的选择可能不同以及表面47的厚度可能大于相应的绝热单元。
在图14的本发明实施方案中，绝热层20的上部和底部单元和其它在绝热层中所用的单元在厚度上是不一致的并且上部和底部单元不需要有高度的辐射表面。在这个绝热层20的实施方案中，使用了一只有一个表面具有三维结构的单元29，该单元不是一种薄板材而是具有很大的截面积。绝热单元29是由一种固态，可塑，多孔结构材料制成，以致于包埋的气体可以被抽出，材料有如ICI公司的开孔聚氨酯，开孔陶瓷泡沫，干凝胶，玻璃/陶瓷纤维复合物和Fiberfrax Duraboard 2600,Carborundum公司的一种产品，紧密型粉末如有适当结合剂的二氧化硅，以及成型的不锈钢线网。这种固态开孔结构材料可以制成长的块状物，然后切割一面形成三维结构或模塑形成理想的三维结构。该结构可以与用于制备本发明绝热层10的受压单元或受拉单元有相同的结构。
改进的绝热层20有更多数量的交错“堆加”互补绝热单元，七单元绝热层具有超过40的R值。交错“堆加”绝热单元的重复性三维结构是不一样的但是互补的。当交错单元的重复性三维结构是“堆加”而不是“嵌套”，并且固定相邻绝热单元在至少与堆加方向成90°的一个方向的移动时，两个不同的绝热单元是“互补”的。
互补的单元优选交错地放在绝热层中；但是，当超过一个绝热单元在绝热层中嵌套，嵌套单元并不被认为在绝热层中的交错单元而被认为相当于有嵌套单元组合厚度的单个单元。嵌套单元可能被用在绝热层的上部和底部以增加强度，而同时没有明显地增加绝热层的高度。
现在参考图16,17和18，板1中有孔60。能够制成具有有孔的极好绝热层板考虑到大部分要求绝热的表面同时在表面上有管道或电接入口或其它不规则地方。三个图中孔60的构型是不同的。考虑到这些孔或不规则处必须作为一个分开的绝热问题处理管道或通过这些孔的东西。这些图也说明了一板可能与另一板4相连接。虽然显示的是与第一块板的连接成直角，可以理解连接可以0～180°。
图16,17和18也说明了具有绝热层20的板，绝热层支撑着一吸气剂材料55。形成板1的理想材料对这些气体有低渗透性；但是，当板被抽真空并要有数年的寿命时，使用吸气剂捕获任何气体以保持板中真空状态是所希望的。优选的方法是通过选择制备板1的材料和使用吸气剂来根本上消除透过板皮层的气体渗透，吸气剂可以吸收氮，氧和其它气体，这些气体长时间后可能透过板1的表面12和/或14(或皮层)或者可能是从板内的材料中放出的。
在下面的实例中阐述本发明绝热板的独特性：
实施例1
这个实例说明本发明的绝热板，它有内皮层或外皮层，或两者皆有，皮层是由具有金属涂敷聚合物层(如镀铝聚酯)的层合薄层形成，由此制成绝热板：
高度气体阻挡薄皮层是由以下层合层组成：
金属茂聚乙烯可热密封层，
0.01英寸厚的双轴取向聚丙烯(BOPP)和镀铝250埃厚涂敷胶粘剂的第一层阻挡薄层，
同样厚度BOPP，镀铝和涂敷胶粘剂的第二层阻挡薄层，以及
0.003英寸厚用于结构和耐击穿性能的高密度聚乙烯(HDPE)。
层合物用作板皮层的上面和下面部分，板具有由以下形成的绝热层：
具有大于0.5微米孔尺寸的厚度为1英寸的纤维玻璃垫。
被切割成大于绝热层尺寸的层合物在绝热层的三个边上热密封。然后板引入真空室以给板抽真空。就在真空室，板的第四边热密封，制成了本发明的真空板。同样在真空室，可以将吸气剂加入到板中。
由于皮层的柔性，板可以在沿着热密封边的任何位置有热封边缘。
实施例2
这个实例说明本发明的绝热板，它有内皮层或外皮层，或两者皆有，皮层是由具有非金属涂敷的聚合物(如SiOx涂敷的聚酯)的层合薄层形成的，由此制成绝热板：
高气体阻挡的薄皮层是由以下层合层制成的：
一层可热封的聚乙烯，
有250埃厚SiOx涂敷表面并且涂有胶粘剂的双轴取向聚丙烯(BOPP)厚度为0.001英寸的第一层阻挡薄层，
同样厚度，有250埃厚SiOx涂敷表面并且涂有胶粘剂的第二层BOPP阻挡薄层，以及
0.003英寸用于结构和耐击穿性能的高密度聚乙烯(HDPE)。
此层合物用作绝热板皮层的上面和下面两部分，绝热板具有由以下形成的绝热层：
五层中的每一层均由间规聚苯乙烯(DOW化学公司产品)制成：
一层平板，
成型受压单元(图11的锥形结构)，
成型受拉单元(互补单元)，
成型受压单元(与上面2相同)，以及
一层平板。
这个绝热层具有0.25cm或更大数量级的孔尺寸。绝热板如上面实例1制备。
实施例3
这个实例说明本发明板中绝热层，其中绝热层中的绝热单元使用两种不同材料制成轻量结构的板(如0.5lbs/ft2)：
板的厚度远薄于1英寸(例如：0.375英寸)。
板的皮层是由一种液晶聚合物制成，聚合物是VECTRA A-950，由Hoechst Celanese生产，商品名为VECTRA，它是一种高度渗透阻挡的热塑性塑料。板的两表面均由VECTRA制成；但是一皮层可以换成如300系列不锈钢或铝的金属。至少一块热塑性塑料热成型为具有如图5中所示的平状凸出部分的板。
绝热层是用最少的绝热单元数制成；如果使用三个单元，两个受压和一个受拉，可以得到近75Ft2·hr·F/Btu·in的R值；如果使用五个单元，三个受压和两个受拉，可以得到约100Ft2·hr·F/Btu·in的R值。
绝热单元由两种不同材料，无定型聚醚酰亚胺(PEI)(GE产品，商品名为Ultem 1000)和聚对苯二甲酸乙二酯共聚酯(PETG)，挤出成型。受压的绝热单元是用PEI制成。受拉的绝热单元是用PETG制成。PEI和PETG挤成薄层并卷成宽度为48英寸或更宽。薄层然后进入一真空系统通过蒸发技术镀铝(或整体地或通过墙壁送入)。每一薄层可以涂敷一面或两面。
镀铝薄层然后通过热机械方法热塑成型，其中加热薄层，薄层通过旋转的和互补型的圆筒(具有啮合齿轮形状)以得到如同在图10中描绘的正弦状梁结构。用于PEI板材产生具有重复性三维结构的几何形状的圆筒与PETG的是不一样的但是互补的。热塑成型的板材切割和整修成制备理想绝热层的尺寸和形状。然后PEI和PETG的绝热单元堆加形成理想的绝热层。
绝热板皮层和绝热单元在真空室中组合，这可不需要接着的抽真空。热塑成型的板皮层的平状凸起部分提供表面以结合另一皮层，结合可以使用一种触变型胶粘剂如HYSOL EA934NA(一种Dexter公司产品)或使用摩擦熔接技术如超声波熔接，或用一铜/镍体系无电镀接着焊接在一起。
一种可替代吸气剂被加入到抽真空的板空间中以维持相当长时间段里的真空状态。
实施例4
这个实例说明了本发明的绝热板，它有上部或下部皮层，或两者皆有，形成了与绝热板中绝热层的绝热单元之一相同的结构。一种半柔性绝热板：
遵循实例3的过程，受压绝热单元，受拉绝热单元和绝热板皮层都由液晶聚合物，Hoechst Celanese生产的Vectra A-950制成，除了至少一个皮层被形成产生如图13中描绘的正弦状梁结构。绝热板的皮层比绝热单元厚并切割成要比绝热层中的绝热单元长。如果皮层被使用在图13的构型中，皮层可以取代绝热层中最外侧的受压绝热单元，即绝热层中的第一单元是一受拉单元。由此使用的外部皮层有褶状表面，它可受压或受拉伸而同时不在皮层引起高应力。另外，形成的与绝热层结构相符的绝热板皮层可以在一个面或二个面并且可以形成作为受拉或受压的绝热单元。
这些绝热板可以形成应用于围绕圆筒或成型具有弧形形状适合于球体。
可以理想所阐述结构的组合或其它组合均在以下附属权利要求的本发明思想之内。

Claims (26)

1．一种绝热板，它包括：
由一种高度气体阻挡材料的薄皮层组成的外壳，材料的氧渗透率为5×10-4cc(STP)/100in2/天或更小而热导率乘积为小于5×10-4Wm/mK；以及
包括一种宏观结构支撑结构的绝热层，支撑结构有0.5微米或更大尺寸的微孔，它支撑着外壳，
外壳围绕着绝热层并有密封边。
2．权利要求1的绝热板，其中密封边是用胶粘剂密封。
3．权利要求1的绝热板，其中密封边是通过热熔接密封。
4．权利要求1的绝热板，其中密封边是通过金属镀层和焊接密封。
5．权利要求1的绝热板，其中绝热板被抽真空并含有吸气剂。
6．权利要求1的绝热板，其中外壳至少由两部分组成，上部分和下部分，并且外壳的上部分和下部分是液晶聚合物的薄层。
7．权利要求1的绝热板，其中高度气体阻挡材料的皮层是一种层合物，选自多层的金属涂敷聚合物，多层的非金属涂敷聚合物，以及多层的高度气体阻挡聚合物。
8．一种真空绝热板，它包括：
由高度气体阻挡材料的两部分皮层，上部分和下部分，组成的外壳；
支撑所述皮层的绝热层，皮层围绕着绝热层并被抽真空；绝热层包括：
至少两个交错堆加的绝热单元，每个绝热单元由一种具有重复性三维结构的几何形状的结构材料形成，三维结构允许一绝热单元和另一个相邻绝热单元堆加并且固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动。
9．权利要求8的绝热板，其中绝热层包括：
至少三个交错堆加的绝热单元，每个绝热单元由一种具有重复性三维结构的几何形状的结构材料形成，三维结构允许一绝热单元和另一个绝热单元堆加并且固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动；
所述绝热单元的两个有相同结构，交错单元有互补的结构，从而当三个绝热单元交错堆加时，绝热单元之间的任何接触部分是交错单元和仅仅其它绝热单元的一个之间的接触。
10．权利要求8的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层的外壳是由同种材料组成外壳的上部分和下面部分。
11．权利要求8的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层的外壳是由不同材料组成外壳的上部分和下面部分。
12．权利要求8的绝热板，其中支撑皮层的绝热层具有由选自以下材料制成的绝热单元，材料为热塑性塑料，热固性聚合物，陶瓷，金属和复合物。
13．权利要求8的绝热板，其中支撑皮层的绝热层是由具有梁式结构的多层绝热层组成。
14．权利要求8的绝热板，其中支撑皮层的绝热层是由具有锥体结构的多层绝热层组成。
15．权利要求8的绝热板，其中绝热层支撑一吸气剂。
16．权利要求8的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层外壳的至少一皮层是与绝热层中的相邻绝热单元形状相同。
17．权利要求8的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层外壳的两皮层由一种形状制成以取代绝热层的最外侧绝热单元。
18．一种绝热板，它包括：
由高度气体阻挡材料的至少两部分，上部分和下部分，组成的外壳，至少一部分是选自多层的金属涂敷聚合物，多层的非金属涂敷聚合物，和多层的高度气体阻挡聚合物；以及
支撑上述皮层的绝热层，皮层围绕着绝热层并被抽真空；绝热层包括：
至少三个交错堆加的绝热单元，每个单元由一种具有重复性三维结构的几何形状的结构材料形成，三维结构允许绝热单元与另一绝热单元堆加并且固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动；
所述绝热单元中的两个有相同结构，交错的绝热单元具有互补的结构，从而当三个绝热单元被堆加时，绝热单元之间的任何接触部分是交错绝热单元和仅仅其它绝热单元中的一个之间的接触。
19．权利要求18的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层的外壳是由同种材料组成外壳的上部分和下部分。
20．权利要求18的绝热板，其中高度气体阻挡材料薄皮层的外壳是由不同材料组成外壳的上部分和下部分。
21．权利要求18的绝热板，其中支撑皮层的绝热层具有由选自以下材料制成的绝热单元，材料有热塑性聚合物，热固性聚合物，陶瓷，金属和复合物。
22．一种绝热层，它包括：
至少两个交错堆加绝热单元，每个单元由一种具有重复性三维结构的几何形状的结构材料形成，三维结构允许一单元与另一绝热单元堆加并且固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动。
23．权利要求22的绝热层，它包括：
至少三个交错堆加绝热单元，每个单元由一种具有高度辐射表面并有三维结构的几何形状的结构材料形成，三维结构允许绝热单元和另一绝热单元堆加并且固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动；
所述绝热单元中的两个具有相同结构，交错的绝热单元具有互补的结构，从而当三个单元被交错堆加时，绝热单元之间的任何接触部分是交错绝热单元和仅仅其它绝热单元中的一个之间的接触。
24．权利要求22的绝热层，其中相同结构的绝热单元是处于受压状态而交错堆加具有互补结构的绝热单元处于受拉伸状态。
25．一绝热层，它包括：
交错堆加绝热单元，堆加的有上部单元和底部单元；
上部单元和底部单元由一种具有一具有重复性三维结构的几何形状的表面的结构材料形成，三维结构允许绝热单元和另一绝热单元堆加并且它固定了相邻绝热单元在至少一个与堆加方向成90°的方向上的移动；
至少一个交错绝热单元有互补的结构，从而当绝热单元被堆加时，绝热单元之间的任何接触部分是交错绝热单元和仅仅其它绝热单元中的一个之间的接触。
26．权利要求25的绝热层，其中交错绝热单元处于受拉状态。
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