CN1288510A - 自抽真空绝热板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种绝热板,它包括一不透气的外壳和置于其中的一种气体和一吸附材料,该吸附材料的表面积至少约为200m2/g,其在低于约0℃的温度下吸附的气体要比在22℃时的多,其中在－34℃时在所述的外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的约80%。本发明还提供一种将表面与周围热效应相隔绝的方法,它包括将本发明的绝热板放置在要隔热的表面上。

Description

自抽真空绝热板
发明领域
本发明涉及一种自抽真空绝热板以及制备和使用该绝热板的方法。
背景技术
人们很早就知道真空是一种良好的绝缘体。因此，真空绝热板被使用在各种绝热环境中。人们虽然渴望得到真空绝热板，但它们的制造成本是很昂贵的。特别是在产生真空和在形成外壳的物理形状方面存在着困难并且相对成本较高。例如，US5107649公开了一种绝热板，它包括两个可弯曲的金属片和在该金属片间的隔板，其中金属片被焊接在一起，在其中形成真空。
为了避免在制备上述类型的真空绝热板时遇到的困难，人们已尝试制备自抽真空的板，即不需要在生产该绝热板时产生真空，而是在绝热板与冷源接触而变冷的当时形成真空。例如，US3812886公开了一种具有密封在一封套中的珠光体芯的绝热套，在该套中填充有诸如二氧化碳的可冷凝气体。当绝热套通过放置在冷源的附近而变冷时，二氧化碳就会冷凝，于是绝热真空就建立了起来。类似地，在US5160769中公开了一种绝热外壳，它包括一种含有二氧化碳填充泡孔的发泡材料。当绝热外壳通过与一足够冷的冷源接触而变冷时，二氧化碳就会固化，于是绝热真空就建立了起来。
虽然前面描述了自抽真空绝热板，但人们仍需要得到改进的自抽真空绝热板以及相应的制备方法。本发明提供了一种自抽真空绝热板及其制备方法。特别是本发明的绝热板在类似的制备和使用条件下比传统的自抽真空绝热板具有更大的真空度。本发明的这些和其它优点以及其它的发明特征将从本发明所提供的详细描述中体现出来。
发明概述
本发明提供一种绝热板，它包括一不透气的外壳以及放置在其中的一种气体和一种吸附材料，该吸附材料的表面积至少约200m2/g并且其在低于0℃的温度下吸附的气体比在22℃的多，其中在-34℃时外壳中的压力不超过22℃时外壳中压力的约80％。本发明还提供一种将表面与周围的热作用相隔绝的方法，它包括将本发明的绝热板放置在要隔热的表面上。
附图的简要说明
图1是各种气体(氮气，氩，氪，氙和二氧化碳)的压力与预测的热导率k(W/mK)的关系图。
优选实施方案的描述
本发明至少一部分是基于一种气体和在不同的温度下可吸附该气体的一种吸附材料。特别是在不透气的外壳中在较低的温度下，固定量的气体通常只占据较少的容积，即在外壳中会产生较低的压力状态或部分的真空。在该气体吸附材料存在的情况下，发现这种作用是更加显著的，因此绝热板可以在大气压或在低于大气压但又在传统的真空压力之上的压力下制备，然而该绝热板在使用过程中，即当与冷源接触时可提供较低的压力或传统的真空压力。
具体地，是本发明提供了一种绝热板，它包括一不透气的外壳和放置在其中的一种气体以及一种吸附材料，该吸附材料的表面积至少约200m2/g并且其在低于0℃的温度下吸附的气体比在22℃的多，其中在-34℃时外壳中的压力不超过22℃时外壳中压力的约80％。
本发明消除了在绝热板制备时其外壳内要产生一明显真空的需要或甚至根本无需抽真空，因此减少了板的制造成本并且提高了绝热板的生产效率。而且其在制备过程中，外壳内适度的真空度使得在绝热使用期间最终所产生的热性能等价于用更高的真空度制备的绝热板的热性能。类似地，在绝热板制备期间，外壳中更明显的真空度在其进行隔热的过程中与用相同的真空度制备的绝热板的热性能相比可产生更加优异的热性能。换句话说，由于本发明的绝热板是自抽空的，气体可冷凝并吸附在吸附材料的表面上，本发明与已知的自抽真空绝热板相比，在相似的条件下(例如在室温下相似的外壳压力)可产生更大的真空。可以实现这一点的同时在绝热板制备以及在将其施加到需要隔热的冷源的过程中，可使本发明的绝热板仍呈柔性，因此它可以在施加到要隔热的表面上时形成和成形。
本发明的绝热板的外壳可以是任何合适的材料。优选的，这种材料是呈柔性的以便使外壳形成(例如，成形或形成)为各种要隔热表面的形状。对于外壳来说优选的材料是塑料，尤其是薄塑料片材形式的塑料。
在22℃时，本发明绝热板外壳中的压力可以是任何合适的压力。例如，在22℃时外壳中的压力优选是大气压，例如约80～110kPa(约600～800乇)。当然，大气压的变化将取决于诸如海拔高度和天气等因素。通常大气压在海平面处约100kPa(约760乇)，但在2000米的高度其压力可变至约80kPa(约600乇)。
本发明的绝热板将随外壳中压力的降低而失去柔韧性。因此，如果需要板在22℃时呈柔性的话，那么在22℃时在外壳中优选要有一个较高的压力例如大气压。典型地用薄塑料片构成的外壳，当外壳内的压力小于约40～55kPa(约300～400乇)时，板将失去有效的柔韧性，当外壳中的压力小于约25kPa(约200乇)时，其柔韧性实质上全部失去。
如果板的柔韧性不重要或不需要的话，在22℃时外壳中的压力可显著地低于大气压。在这些实施方案中，在22℃时外壳中的压力优选是约15kPa(约100乇)或更小(例如，约0.1～15kPa(约1～100乇))，更加优选约1kPa(约10乇)或更小(例如，约0.001～1kPa(约0.01～10乇))，最优选为0.1kPa(约1乇)或更小(例如，约0.001～0.1kPa(约0.01～1乇))。
在-34℃时外壳内的压力不超过在22℃时外壳中压力的80％。人们希望在-34℃时外壳中的压力不超过22℃时外壳中压力的65％，优选不超过60％，更加优选不超过50％，甚至更为优选不超过30％。在-34℃外壳中压力最优选不超过22℃时外壳中压力的20％，例如不超过10％。
只要在-34℃的外壳中与吸附材料结合的气体的压力不超过22℃时外壳内压力的约80％，在绝热板的外壳中可使用任何合适的气体。在外壳中可以使用气体混合物，典型地该气体是一种单一气体或实质上全部为一种单一气体。与氮气/空气相比，合适的气体要具有较低的热导率，例如：氩，二氧化碳，氪和氙。优选绝热板中的气体实质上全部为二氧化碳。优选二氧化碳是因为它相对较便宜，并具有低的热导率，而且在低于室温(例如，22℃)的温度下可吸附在各种材料上。此外，在大气压(例如，约80～110kPa(约600～800乇))下，二氧化碳与氮气/空气填充的板相比可提高热性能。其它优选的气体为氪和氙。
吸附材料可以是可与气体结合实现本发明绝热板外壳中的上述压力降的任何合适材料，并且它也是一种良好的热绝缘材料。优选的吸附材料是二氧化硅，特别是亲水态(而不是疏水)的二氧化硅。更优选的吸附材料为硅胶或硅气凝胶。另一种优选的吸附材料是碳，更优选为活性炭。吸附材料可以是两种或多种不同材料的组合。在这方面特别优选的实施方案是二氧化硅与碳的组合，尤其是硅气凝胶与活性炭的组合。二氧化硅和碳都是良好的吸附材料，但二氧化硅本身还是良好的绝热材料并且碳通过将绝热板变成不透明优选为黑色而有助于绝热的作用。因此，活性炭的优点在于可减少红外线的辐射传递以及对许多气体例如二氧化碳来说是一种优异的吸附剂。相对于二氧化硅的量，碳可以任何合适的量存在。基于二氧化硅颗粒的重量，活性炭优选的含量为约1重量％～约30重量％。
吸附材料可以是任何适当的形式，优选为颗粒的形式。吸附材料的颗粒可以具有任何合适的颗粒大小。通常当吸附材料是二氧化硅时，二氧化硅颗粒的直径优选要小于约500μm。当吸附材料是碳，特别是活性炭时，碳颗粒的直径优选要小于约100μm。
吸附材料的表面积至少约200m2/g。一般希望具有更大的表面积，因为随着表面积的增加可使绝热的效果以及吸附的容量增加。因此，特别是当吸附材料为二氧化硅时，其表面积优选至少约400m2/g，更加优选至少约600m2/g，最优选至少约800m2/g。
本发明还提供一种将表面与周围的热效应相隔绝的方法，它包括将本发明的绝热板放置在要绝热的表面上。本发明的绝热板可用来对任何合适的表面进行绝热，例如储藏容器，罐，管等。
柔性的外壳与例如颗粒形式的柔性吸附材料相结合可保证绝热板在室温下是呈柔性的。因此，绝热板在制备期间和/或在施加到要被隔热的冷表面的过程中可物理成形，在此之后，由于冷却在外壳中形成了真空，从而导致绝热板变硬。
下面的实施例将进一步对本发明进行说明，当然这些实施例并不构成对其范围的限制。
实施例1
该实施例证明了在不同压力下气体热性能的增加，它是在室温下作为填充气体和压力的函数，用0.1g/cm3气凝胶颗粒的压块(compact)进行计算的。
人们现已建立了完好的在气凝胶中传热模型的框架。参见Fricke等人的Int.J.Heat Mass Transfer,35,2305(1992),Hrubesh和Pekala,J.Mater.Res.,9,731(1994),Zeng等人的J.Non-Cryst.Solids,186,264(1995)。在低密度的多孔固体诸如气凝胶中的传热是由三个历程组成的：(1)固相传导，(2)在气孔中的气相传导，以及(3)热辐射。用于该实施例进行数据计算的模式直接遵从于在Hrubesh和Pekala,supra中所描述的那样具有三种变化。一额外的气相传导关系用于颗粒间的热传递。颗粒间区域的孔径是用粒径和充填率φ作为液压直径进行计算的。φ定义为压块中颗粒的体积百分率。对于颗粒内的孔径，密度和表面积是固定的，因为这些是在合成的过程中可进行控制的性能。取平均孔径作为液压直径，并通过100-1,000m2/g实际表面积范围来限制给定的密度。对于热辐射添加遮光剂可导致：(a)特定消光系数的变化，以及(b)遮光剂固相热导率连续或并列模型的增加。取各个部分的总和作为总热导率：
k总=k辐射+k固体，颗粒+k气体，颗粒+k气体，颗粒间
头两个部分，K辐射和K固体，颗粒是与气压和类型相独立的。在颗粒中的气相传导率在环境压力的附近随气压变化(取决于孔的大小)。在颗粒间的区域中需要更低的压力以降低气相传导。计算的是充填率为0.7的非遮光颗粒气凝胶的K值。为了计算该实施例的热量，使用表面积为800m2/g，粒径为100μm，充填率为0.9的气凝胶颗粒。假定压块含有15重量％的碳，且密度为99.3kg/m3。
根据在Gregg,S.J.和Sing,K.S.W的“吸附，表面积和孔隙度”p.285,Academic Press,New York(1991)提到的Brunauer-Emmett-Teller(BET)模式，二氧化硅例如气凝胶的表面积是基于在0.05～0.25的范围内五个不同的相对压力下吸附的氮气的量。
所得的数据以图形绘出并示于图1中。从图中明显的看到，特别是在较高的压力下，氩，二氧化碳，氪和氙比氮气具有明显更大的绝热能力(这一点可通过较低的热导率K值得到证实)。而且当二氧化碳接近很低的压力时，它的热性能与它在大气压下的热性能相比增加了一倍。
实施例2
该实施例说明了本发明的自抽真空绝热板的作用。
类似的外壳中装有二氧化碳以及或者是无附加材料的(样品B)，或者是锻制二氧化硅(样品C和D)，亲水硅气凝胶(样品E,F和H)，疏水硅气凝胶(样品G)或与活性炭结合的亲水硅气凝胶(样品I,J和K)，它们分别记录在下面的表1中。为了进一步进行比较，一个外壳中装有空气并且无附加材料(样品A)。亲水和疏水硅气凝胶由湿(含水)凝胶形成并且在前体湿凝胶中二氧化硅的重量％也记录在表1中。当活性炭存在时，表1中记录了相对于总固体含量(即，二氧化硅和活性炭)的活性炭的重量％。样品C-E和样品G-K的吸附材料是磨碎形式的，而样品F的吸附材料为颗粒形式的。
具体地，对于每种样品，在一玻璃ASAP管(在底部带有一球形球头的玻璃管)中放置的或者是无吸附材料的或者是已知量的吸附材料。然后将玻璃棒置于管的颈部以占据其余的顶部空间。为了保证再现性，在实验前后测量吸附材料的量。然后用2-3分钟的时间将样品抽空到0.3-2kPa(2-15乇)，并且用二氧化碳再充气到约90kPa(675乇)，为了确保去除大部分大气污染物，将这一过程重复四次。虽然为了去掉吸收的水没有预热样品，但通过重复抽空可去掉大部分污物。吸附材料的表面积和密度可通过使用等温气体(氮气)实验测定。对每个样品，吸附材料的质量，密度，表面积和体积以及泡孔的体积列于下面的表1中，它们是在上述用二氧化碳进行再充气之后测量的。
表1
样品  气体     吸附材料 质量(g)   密度(g/cm3)  表面积(m2/g)  体积(cm3)   泡孔容积(cm3)
 A  空气     无   --     --  --    --    28
 B  CO2     无   --     --  --    --    28
 C  CO2  锻制二氧化硅  0.4201   0.050  421   8.40   27.81
 D  CO2  锻制二氧化硅  0.5138   0.050  421   10.28   23.27
 E  CO2  5重量％亲水硅气凝胶  1.0630   0.105  834   10.12   23.02
 F  CO2  5重量％亲水硅气凝胶(颗粒)  0.6132   0.080  714   7.67   23.22
 G  CO2  5重量％疏水硅气凝胶  1.3623   0.140  834   9.73   22.88
 H  CO2  11重量％亲水硅气凝胶  1.4217   0.143  647   9.94   22.85
 I  CO2  11重量％亲水硅  1.1886   0.161  716   7.38   22.96
 气凝胶+15重量％活性炭
    J  CO2  11重量％亲水硅气凝胶+15重量％活性炭  1.0029  0.161   716    6.23     23.04
    K  CO2  11重量％亲水硅气凝胶+15重量％活性炭  1.0475  0.161   716    6.51     23.02
在低于室温(约22℃)下，在表2所示的压力下，向样品中注入空气或二氧化碳，然后将其浸渍在用干冰冷却的乙二醇和水的浆料中(其凝固点约-40℃)以使其保持在-32℃～-38℃之间。在样品浸渍在浆料中的同时随着时间的变化测量压力，当温度在-34℃±1℃时，在经过较长的暴露时间(通常为15-20分钟)后，在下面表2中记录的最终压力为平衡压力。压力是使用Psitronix数字压力计(以kPa为单位所测量的绝对压力，其精度为±0.25kPa)测量的，而温度是通过精度为±0.2℃的手持式Omega温度计测量的。压力测量的结果显示在下面的表2中。
表2
    样品  气体     吸附材料    初始压力(kPa)[乇]   最终压力(kPa)[乇]  最终压力/初始压力(％)
    A  空气     无     96.6[725]     84.6[635]     88
    B  CO2     无     82.2[617]     71.5[536]     87
    C  CO2 锻制二氧化硅     93.5[701]     56.8[426]     61
    D  CO2 锻制二氧化硅     90.5[679]     50.7[380]     56
    E  CO2 5重量％亲水硅气凝胶     90.0     23.3     26
    [675]     [175]
    F  CO2  5重量％亲水硅气凝胶(颗粒)     91.4[686]     29.6[222]     32
    F  CO2  5重量％疏水硅气凝胶     91.1[683]     39.1[293]     43
    G  CO2  11重量％亲水硅气凝胶     91.0[683]     14.1[106]     15
    H  CO2  11重量％亲水硅气凝胶+15％活性炭     91.0[683]     15.4[116]     17
    I  CO2  11重量％亲水硅气凝胶+15％活性炭     91.0[683]     11.3[85]     12
    J  CO2  11重量％亲水硅气凝胶+15％活性炭     91.0[683]     11.9[89]     13
从上述样品A和B的数据中可以发现，单独使用空气和二氧化碳，即没有吸附材料的情况下，将使得在-34℃时的压力仅为22℃时压力的87-88％。而象样品C和D中使用锻制二氧化硅作为吸附材料时可大大地降低压力，具体地说，在-34℃时的压力是在22℃时压力的56-61％。结合使用硅气凝胶，尤其是亲水硅气凝胶可使其得到进一步的改进。特别是在样品G中使用疏水硅气凝胶，在样品E,F和H中使用亲水硅气凝胶可使其在-34℃的压力分别为在22℃压力的43％和15-32％。在样品I,J和K中具有亲水硅气凝胶的活性炭的存在使其在-34℃的压力为22℃时压力的12-17％。这些数据证明：本发明的自抽真空板即使在板中的初始气压相对较高(例如：在大气压或其附近)时，该板也可产生出显著的绝热真空。
实施例3
该实施例进一步说明了本发明自抽真空板的作用。
除了在类似的外壳中以不同的初始压力装入二氧化碳和疏水硅气凝胶外，重复实施例2中叙述的实验方案。对每个样品的吸附材料的质量，密度，表面积和体积以及泡孔容积均列在下面的表3中，它们是以实施例2中所述同样的方式测得的。
表3
样品  气体   吸附材料 质量(g)  密度(g/cm3)   表面积(m2/g)    体积(cm3)   泡孔容积(cm3)
 L  CO2  11重量％疏水硅气凝胶  1.3691   0.143     647     9.57     22.88
 M  CO2  11重量％疏水硅气凝胶  1.3165   0.143     647     9.21     22.90
 N  CO2  11重量％疏水硅气凝胶  1.3627   0.143     647     9.53     22.88
 O  CO2  11重量％疏水硅气凝胶  1.3487   0.143     647     9.43     22.89
样品按实施例2中所述相同的方式进行处理，并且在下面的表4中记录了压力测量的结果。
表4
    样品     气体  吸附材料   初始压力(kPa)[乇]    最终压力(kPa)[乇] 最终压力/初始压力(％)
    L     CO2  11重量％疏水硅气凝胶     70.5[529]     17.1[128]     24
    M     CO2  11重量％疏水硅气凝胶     72.0[540]     14.6[110]     20
    N     CO2  11重量％疏水硅气凝胶     50.0[375]     8.3[62]     17
    O     CO2  11重量％疏水硅气凝胶     32.5[244]     5.3[40]     16
从样品L,M,N和O的上述数据的比较中明显发现，不论初始气压如何，使用吸附材料显著地降低本发明自抽真空板的压力。在样品L和M中，当初始压力为在海平面大气压的约70％时，在-34℃时的压力为22℃时压力的20-24％。同样地，在样品N和O中，当初始压力分别为在海平面大气压的约50％和30％时，在-34℃时的压力分别为22℃时压力的17％和16％。
在这里所引用的全部参考资料包括专利，专利申请和出版物，在此全文引用。
当本发明重点用优选实施方案进行描述时，对于本领域的普通技术人员来说利用这些优选实施方案的各种改变是显而易见的并且它意味着除了在这里所作的具体描述外也可实施本发明。因此，本发明包括的各种改进均包含在下述权利要求所限定的本发明的精神和范围内。

Claims (27)

1、一种绝热板，包括不透气的外壳和置于其中的气体和吸附材料，该吸附材料的表面积至少约200m2/g，其在低于约0℃的温度下吸附的气体要比在22℃时的多，其中在-34℃时在所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的约80％。
2、根据权利要求1的绝热板，其中在22℃时所述外壳中的压力约为80-110kPa。
3、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的65％。
4、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的60％。
5、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的50％。
6、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的30％。
7、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的20％。
8、根据权利要求2的绝热板，其中在-34℃时所述外壳中的压力不超过22℃时所述外壳中压力的10％。
9、根据权利要求2的绝热板，其中所述的吸附材料包括二氧化硅颗粒。
10、根据权利要求2的绝热板，其中所述的吸附材料包括锻制二氧化硅。
11、根据权利要求2的绝热板，其中所述的吸附材料包括硅胶。
12、根据权利要求2的绝热板，其中所述的吸附材料包括硅气凝胶。
13、根据权利要求9的绝热板，其中所述的吸附材料进一步包括碳。
14、根据权利要求9的绝热板，其中所述的吸附材料进一步包括活性炭。
15、根据权利要求14的绝热板，其中所述活性炭的含量基于二氧化硅颗粒的重量为约1重量％～约30重量％。
16、根据权利要求1的绝热板，其中所述的气体实质上全部为二氧化碳。
17、根据权利要求1的绝热板，其中所述的气体实质上全部为氪。
18、根据权利要求1的绝热板，其中所述的气体实质上全部为氙。
19、根据权利要求1的绝热板，其中所述的吸附材料的表面积至少约为400m2/g。
20、根据权利要求19的绝热板，其中所述的吸附材料的表面积至少约为600m2/g。
21、根据权利要求20的绝热板，其中所述的吸附材料的表面积至少约为800m2/g。
22、根据权利要求1的绝热板，其中在22℃时所述外壳中的压力是大约15kPa或更低。
23、根据权利要求1的绝热板，其中在22℃时所述外壳中的压力是大约1kPa或更低。
24、根据权利要求23的绝热板，其中在22℃时所述外壳中的压力是大约0.1kPa或更低。
25、一种将表面与周围热效应相隔绝的方法，包括将权利要求1中的绝热板放置在所述的表面上。
26、一种将表面与周围热效应相隔绝的方法，包括将权利要求9中的绝热板放置在所述的表面上。
27、一种将表面与周围热效应相隔绝的方法，包括将权利要求14中的绝热板放置在所述的表面上。
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