JP2012503149A

JP2012503149A - 熱抵抗材料

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Publication number: JP2012503149A
Application number: JP2011526998A
Authority: JP
Inventors: ディー．ルバート、ニール; ジェイ．ボイチェホフスキ、ティモシー
Original assignee: シンサーマルバリアズリミテッド
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2012-02-02
Also published as: EP2334492A2; US20100068471A1; WO2010030890A3; WO2010030890A2; AU2009291631A1; CA2737157A1; CN102317065A; TW201022570A

Abstract

【解決手段】接触領域と外部環境の間の最大の熱抵抗を提供するために、材料体積に対する真空領域を最大限に高めて断熱対象領域への接触面積を最小限に抑える構造と設計を持つ断熱材が提供されている。
【選択図】図１

Description

本出願は、合衆国法典第３５編第１１９（ｅ）項に基づき米国仮特許出願連続番号第６１／０９７，０５１号（２００８年９月１５日出願）に対する優先権を主張するものであり、その開示全体を参照により本書に組み込む。

本発明は一般に断熱材に関連する。特に、本発明は、接触領域と外部環境の間において最大の熱抵抗を提供するために、材料体積に対して真空領域を最大限に高めて断熱対象領域への接触面積を最小限に抑える構造と設計を持つ、オープンセル構造の断熱材に関連する。

多数の業界において、物体の望ましい温度を調節または維持する試みとして、耐熱材料が使用されている。断熱性を提供するために、さまざまなタイプの断熱材が使用されてきた。その例の一つは発泡断熱材である。発泡断熱材はセル構造を持ち、気相および固相という二つの相を含む。発泡断熱材の熱伝導率は、セル内部に含まれる気体を通り、またセル壁のネットワークを通る総熱流量によって決定される。典型的な発泡断熱材の構造には、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリイソシアヌレート、ポリイミドおよび発泡ガラスが含まれる。

他の断熱システムには、バルク充填材料（例：ガラス繊維、シリカエアロゲルまたは複合材料）を含むさまざまな形状の真空間隙が含まれる。伝熱性の熱流経路は、粒子間または繊維間の接触点に限られており、位相不連続によって妨害されている。対流熱流の寄与は、任意の温度および圧力での間隙の相当直径が気体分子の平均自由行程と同等またはそれ以下となるように、間隙ガスの圧力を低下させ、かつ／または粒子の大きさを縮小することで、最小限に抑えることができる。

本発明の実施形態は、セラミック層または高分子層から形成されるオープンセル・ネットワークを含む断熱材を対象としており、ここでセラミック層または高分子層は少なくとも一つの構造を持つ基板を含み、セラミック層または高分子層の配置によって、セラミック層または高分子層の周辺の真空バリアを用いてシールされうる各層内部における体積の大きい空隙の近真空圧力での形成が可能となる。特定の実施形態において、少なくとも一つの構造は、空洞に構造的サポートを提供すると同時に、体積の大きな領域を形成することによってオープンセル構造を可能にする。

本発明の別の実施形態は、第一のセラミック層または高分子層が第一の構造を含む第一のセラミック層または高分子層、第二のセラミック層または高分子層が第二の構造を含む第二のセラミック層または高分子層、第一の中間層が第三の構造を含む第一の中間層、第二の中間層が第四の構造を含む第二の中間層、および反射材料層から形成されたオープンセル・ネットワークを含み、一つのストラタム（階層）も二層または三層から構成されうる、四層のストラタムを含む断熱材装置を対象としている。第一および第二のセラミック層または高分子層、第一および第二の中間層、および反射材料層の配置によって、シールされうる前記層それぞれの内部での真空の形成が可能となる。断熱材は、断熱材を形成する真空バリアの役目を果たす保護的な高分子被覆をさらに含み、ここで第一、第二、第三および第四の構造の全表面積の約１％以下が互いに接触し合っている。

本発明の特定の実施形態において、断熱材装置は二層、三層、または四層から成る少なくとも第二のストラタムをさらに含みうる。四層の第二のストラタムは、第一のセラミック層または高分子層が第一の構造を含む第一のセラミック層または高分子層、第二のセラミック層または高分子層が第二の構造を含む第二のセラミック層または高分子層、第一の中間層が第三の構造を含む第一の中間層、第二の中間層が第四の構造を含む第二の中間層、および反射材料層から形成され、第一および第二のセラミック層または高分子層、第一および第二の中間層、および反射材料層の配置によって、シールされうる前記層それぞれの内部での真空の形成が可能となるオープンセル・ネットワークを含みうる。

幾つかの実施形態において、断熱材装置は、層ごとのガスバリア層、層ごとの防湿層、ナノ被覆材料、ヒートシール層および／または金属を含む真空蒸着した材料をさらに含む。別の実施形態において、断熱材装置には第二のストラタムを含む。また別の実施形態において、断熱装置には複数の内部周辺真空シール層を含む。さらなる実施形態において、断熱材装置は容器表面の所定の部分に形成され、特定の実施形態において、断熱材装置は円筒状または実質的に円筒状に形成され、近真空圧力でシールされて飲料または他の容器用の断熱された内部層または外部層を形成する。

別の実施形態に従い、隣接する層は互いに直交して位置付けられうる。さらに別の実施形態において、ストラタムの第一のセラミック層または高分子層は第二の中間層からオフセットされた位置に配置でき、第二のセラミック層または高分子層は第一の中間層からオフセットされた位置に配置されうる。本発明のさらなる態様において、断熱材装置は乾燥、真空シールおよび／またはヒートシールされている。

本発明は、添付の図面と併せた上でさまざまな本発明の実施形態の下記の詳細な説明を考慮した場合、より完全に理解されうる。
図１は本発明の実施形態に従ったレンズ状突起構造の断面図である。図２は本発明のさらに別の実施形態に従った柱構造を図示している。図３は本発明の別の実施形態に従った蛇腹式構造の断面図である。図４は本発明の一つの実施形態に従った断熱材装置の四層ストラタムを説明したものである。

本明細書で使用される用語は、特定のバージョンまたは実施形態を説明することのみを目的としており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。別途定義されない限り、本明細書で使用される専門用語、注記および他の科学用語は、本発明が属する分野における当業者が一般に理解しているものと同じ意味を持つ。場合によっては、一般に理解される意味を持つ用語が、明確化および／または参考のために本明細書で定義されており、かかる定義を本明細書に含めることは、必ずしも当技術分野において一般に理解されている内容と大幅な違いを示すものと解釈されるべきではない。但し、相違が生じた場合には、定義を含めて特許の明細書が優先される。

本発明を説明するにあたり、使用される用語には下記の意味が付される。

本明細書で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は少なくとも一つを意味するが、文脈で別途明確に指示されない限り複数の意味も含みうる。

本明細書で使用される場合、「約」という用語は使用されている数値の±１０％を意味する。そのため、約５０％とは４０％〜６０％の範囲を意味する。

本明細書で使用される場合、「装置」および「断熱材装置」という用語は最終用途での本発明の断熱材を意味する。

「断熱材」、「断熱フィルム」、および「熱抵抗層」という用語は、本明細書において互換的に使用されている。

本発明の実施形態は、層間で近真空を維持するために保護的な高分子被覆に一括してまたは個別に真空シールされる、オープンセル構造中の複数の層を含む断熱材を対象としている。「オープンセル」という用語は本明細書で使用される場合、実質的にオープンな構成を定義する一連の経路と相互接続された通路を持つ構造を意味する。特定の実施形態において、断熱材のオープンセル・ネットワークは材料体積に対して少なくとも４０％の真空領域で特徴付けられる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、オープンセル構造によって材料体積に対する真空領域の最大化が可能になる。さらに、本発明の断熱材は材料の完全性を維持するためのサポートを提供し、または別の実施形態においては柔軟性を与えている。

本発明のさまざまな実施形態は、同時に材料の厚さを最小限に抑え、材料体積に対する真空領域を最大限に高め、断熱対象領域への接触面積を最小限に抑え、構造的サポートと柔軟性の両方を提供しつつ、望ましい熱抵抗を達成するオープンセル構造における複数の層を含む断熱材を対象としている。

本発明の断熱材の実施形態には、少なくとも一つの層、好ましくは少なくとも二つの層を含む。幾つかの実施形態において、各層の厚さは約０．０１ｍｍ〜１ｍｍでありうる。本発明の断熱材は、例えば高分子層、セラミック層、複合層、および反射材料層などのさまざまな材料から形成されうる。セラミック層材料の非限定的例には、幾つか例を挙げると、ムライト、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸塩、およびジルコニアがある。断熱材が高分子から形成される場合、熱伝導率の低い不透明材料を使用してもよい。本発明に従って使用されうる多数の高分子の非限定的例としては以下のものが挙げられる。ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステル、メラミン、ウレア、フェノール樹脂、ケイ酸樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエポキシド、ポリヒダントイン、ポリウレア、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリイソシアヌレート、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、ポリカーボネート、およびその共重合体および混合物。幾つかの実施形態の断熱材は、例えば、着色剤、ＵＶ安定剤、防腐剤、脱ガス剤、強化剤、酸化剤、充填剤、接着剤、増粘剤、および同類の添加剤をさらに含めてもよい。

本発明の実施形態に従い、各層は、かかる構造の形状や配置によってその上下の層によってシールされうる各層内部での真空の形成が可能になり、周囲圧力が低下した時に周囲で保護的な高分子バリア被覆に最終的に真空シールされる、さまざまな形状を持つ一つ以上の構造を含みうる。特定の実施形態において、断熱材の各層は、レンズ状突起、蛇腹式構造、Ｔ字型、Ｕ字型、正方形、長方形、または不規則または正多面体および同類などの柱および柱の断面、円形、かぎ状、楕円および同類など曲線のある柱および柱の断面、およびこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない一つ以上の構造を含みうる。特定の実施形態において層は同一の形状の構造を含むことができ、別の実施形態において層にはさまざまな形状の構造を含みうる。さらに別の実施形態において、真空領域を最大限に高めて最大の熱抵抗を提供するために、構造の数が最小限に抑えられる。

本発明の構造は、断熱材の真空シールを実現させるさまざまな方法で位置付けられうる。本発明の幾つかの実施形態において、構造はベース基板から延びており、かかるベース基板の上に同等または不規則な間隔で位置付けられる。本発明の基板は、基板の片側または両側から延びている単一構造または複数構造を持ちうる。幾つかの実施形態において、複数の基板は断熱材の熱抵抗を高める方法で積み重ねられうる。特定の実施形態において、ベース基板はＵＶ、可視光線、およびＩＲ放射を効果的に遮断する役目を果たす構成要素を含みうる。ベース基板はまた、関連する吸収剤を持つ顔料を含みうる。

幾つかの実施形態において、構造は基板にとって不可欠である。別の実施形態の構造はベース基板の片側のみから延びてもよい。別の実施形態において、構造は基板の両側から延びている。本発明の特定の実施形態において、ベース基板から延びている構造の部分は構造の先端よりも大きくてもよい。これは、圧力の低下に伴う構造強度の提供、体積の除去、および層ごとの熱抵抗の増加を含む（但し、これらに限定されない）数多くの理由から利益を持ちうる。さらに、構造先端の接触領域が全領域の割合として小さくなるにつれて熱抵抗は高まる。好適な実施形態において、任意の層上の構造の全表面積の約１％以下が、隣接する層の構造に接触している。

本発明の特定の態様の構造は、ベース基板から延びたレンズ状または交差レンズ状の突起という形態でもよい。本発明の一つの実施形態で断熱される領域への接触領域を最小限に抑えるレンズ状突起構造を持つ断熱材の断面図が、図１に示されている。さまざまな実施形態のレンズ状突起構造は、曲線、直線、またはその組み合わせでもよい。特定の実施形態において、レンズ状突起の底部は突起の先端よりも大きくてもよい。

本発明の他の態様において、図２に示されるように、構造には柱を含みうる。本発明の柱の形状は限定されておらず、例えば長方形または正方形など当技術分野において知られている任意の形状でありうる。例えば台形および同類のものなどのこれらの柱の断面は、大きな体積領域を形成しつつこれらの形状が十分な構造的サポートを提供するような、曲線を含むいかなる形状でもよい。この構造配置は、交差レンズ状突起に相当するレンズ状突起の周期的中断を除いては、レンズ状突起構造と類似しており、周期性が直交方向と同じ場合には四角形の柱が発生し、周期性が直交方向とは異なる場合は長方形の柱が発生する。好適な実施形態において、柱の数は例えば周期性／柱間の間隔を増加させることで最小限に抑えられる。周期的中断によって柱間の間隔が増加し、これにより真空領域が最大化されて材料の熱抵抗を最大限に高める。

二つ以上の層が存在しレンズ状突起が利用される幾つかの実施形態に従うと、第二の層は、対応するベース基板またはレンズ状突起構造のいずれかが接触した状態で、第一の層の上に配置されうる。本発明の幾つかの実施形態において、第二の層はレンズ状突起構造が第一の層の突起と並行になるように配置されうる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、突起が並行になるように二つの層が配置される実施形態では、熱抵抗は円筒状熱導体によって近似されうる。好適な実施形態において、二つの層は、突起が互いに直交することにより突起が並行構成された場合よりも相対的に高い熱抵抗を提供するように配置されうる。突起が直交であるこの実施形態では、いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、熱抵抗は球体熱導体によって近似されうる。

熱抵抗の分析モデルを、それぞれ円筒状熱導体および球体熱導体に適用してもよい。計算しやすいように、分析された構造は、熱抵抗材料の窪みであり、等脚台形の形で真空領域に変えられる。真空領域間のレンズ状突起構造は、突起のベース部で幅（Ｂ）、幅（ｂ）を持つ突起の先端での角度９０°＋θ、および突起の高さ（Ｈ）を持つ。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、二等辺三角形の領域は真空と推定することができ、すべての熱損失は窪みを含む熱抵抗材料を通した伝熱によって発生するものと推定されうる。窪みにおける熱流は、その領域における真空のために制限されうる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、真空領域の効果的な熱抵抗は、構造を含む領域である材料領域のみの熱抵抗と断熱材の効果的な熱抵抗が同程度となるのに十分な程度大きいと見なされうる。例えば、真空領域の熱抵抗が材料領域の熱抵抗の十倍である場合、真空領域と材料領域は並行構成のため、組み合わせの熱抵抗は材料領域のみと比較して９％のみ低下している。

本発明の特定の実施形態における熱抵抗の分析モデルに従い、単層には片側にのみ窪みがあり、もう一方の側は滑らかである。層の厚さは（ｔ）と定義されうる。幾つかの実施形態において、断熱材には少なくとも二つのこのような層があり、ここで第二の層は第一の層の鏡像であり、第二の層には上述のような二つの構成の可能性がある（即ち、並行および直交）。例えば、幾つかの実施形態において、第二の層のレンズ状突起は第一の層のレンズ状突起に並行であり、断熱材は二つの同軸円筒間の放射熱流によって近似される。別の方法として、第二の層のレンズ状突起は第一の層のレンズ状突起と直交に位置付けてもよく、断熱材は二つの同心球体間の放射熱流によって近似される。

いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、二つの層を持つ断熱材装置の熱抵抗は単層（Ｒ_ＥＦＦ）の熱抵抗の二倍として近似されうる。さらに、それぞれが二層を持つ（Ｎ）台の断熱材装置を積み重ねてもよく、その積み重ねは単一装置の（Ｎ）倍の熱抵抗を持つ。二等辺三角形間の間隔は、半径（ｒ_１）の円の円周部分と角サイズ（ｑ）によって近似されうる。半径（ｒ_１）は、構造パラメータに関して下記に由来する。熱流は、角サイズ（ｑ）を持つ二等辺三角形の辺に沿った放射流として近似的に示すことができる。熱は（ｒ_２）として定義される半径へと流れ出し、下記で構造パラメータの関数として発生する。熱が二等辺三角形の頂点を超えて拡張すると、構造から横方向に流れ出す熱は隣接する構造から流れ込む熱によって補充される。

単層の効果的な熱抵抗は、効果的な熱伝導率（ｋ_ＥＦＦ）と層の厚さ（ｔ）に関連している：

並行突起を持つ層を含む断熱材の効果的な熱伝導率は、同心円筒の熱伝導率方程式から近似されうる。これには層の物理的特性を含む。方程式は下記によって提供される：

ここで、Ｌ＝その断面が二等辺三角形である層の長さ
ｄＱ／ｄｔ＝熱流率
ｋ＝層の材料の熱伝導率
ｒ＝熱流の半径方向
ｄＴ／ｄｒ＝半径方向における温度勾配

積分は下記の通り記述できる：

ここで動径積分の限界はｒ_１とｒ_２の間、温度積分の限界は内部温度（Ｔ_Ｉ）と外部温度がＴ_Ｏの場合の第一の層の中間温度［（Ｔ_Ｏ＋Ｔ_Ｉ）／２ｎ］の間である。内部温度は
変化しないと推定されるが、これはシステムの物理的パラメータである単層の効果的な熱抵抗（Ｒ_ＥＦＦ）の計算に影響を及ぼすものではない。このアプローチは、システムの時間依存性温度挙動の計算を提供するものではない。

積分方程式を解くと以下のようになる：

方程式（４）から、等号と（Ｌ）の間の項はｋ_ＥＦＦであることがわかり、これには構造パラメータの効果と材料の熱伝導率が含まれる。

方程式（５）は、効果的な熱抵抗（Ｒ_ＥＦＦ）を得るために方程式（１）に代入することができる：

システムのパラメータ（θ、ｒ_１、ｒ_２）は、装置の既知の構造パラメータに関して計算されうる。形状に基づいて、パラメータは下記から得られうる：

いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、層に直交突起を含む断熱材のｋ_ＥＦＦは、同心球体の熱伝導率方程式から近似されうる。この近似には層の物理的特性を含む。方程式は下記によって提供される：

ここで、Ｌ＝層の長さで、同心球体により示される装置の厚さ（ｔ）と同等である
ｄＱ／ｄｔ＝熱流率
ｋ＝層の材料の熱伝導率
ｒ＝熱流の半径方向
ｄＴ／ｄｒ＝半径方向における温度勾配

積分は下記の通り記述できる：

ここで動径積分の限界はｒ_１とｒ_２の間、温度積分の限界は内部温度（Ｔ_Ｉ）と外部温度がＴ_Ｏの場合の第一の層の中間温度［（Ｔ_Ｏ＋Ｔ_Ｉ）／２ｎ］の間である。内部温度は変化しないと推定されるが、温度のいかなる変化も、システムの物理的パラメータである単層のＲ_ＥＦＦの計算に影響を及ぼすものではない。但し、このアプローチによって、システムの時間依存性温度挙動の計算はできない。

積分方程式を解くと以下のようになる：

方程式（１２）から、方程式（４）と同じく、等号と（Ｌ）の間の項はｋ_ＥＦＦであり、これには構造パラメータの効果と材料の熱伝導率が含まれることが容易に観察されうる。

方程式（１３）は、効果的な熱抵抗（Ｒ_ＥＦＦ）を得るために方程式（１）に代入することができる：

システムのパラメータ（θ、ｒ_１、ｒ_２）は、上記方程式（７）、（８）、および（９）における装置の構造パラメータに基づいて計算されうる。

断熱材の少なくとも二つの層の構成が、断熱材のストラタムを形成する。本明細書で使用される場合、「ストラタム」という用語は、一つの層の少なくとも一部分が別の層の少なくとも一部分の上に配置されている材料の諸層を意味する。本発明の幾つかの実施形態において、断熱材装置には一つのストラタムを含むが、別の実施形態では複数のストラタムを含む場合がある。さまざまな実施形態において、ストラタムを構成する各層は約１０〜約１０００μｍの厚さでありうる。特定の実施形態において、ストラタムを構成する各層は約１００μｍの厚さでありうる。別の実施形態において、断熱材装置の厚さは約０．１ｍｍ〜約１０ｍｍでありうる。また別の実施形態において、装置の厚さは約５ｍｍでありうる。

断熱材装置のストラタムの数が、断熱体の熱抵抗（Ｒ）値を決定する。ストラタムのＲ値は、層の形状、層を形成する材料の熱伝導率、真空圧力、および層の材料体積と真空体積の比率に基づいて決定される。突起間の間隔が広がると、層の材料体積に対する真空の比率も高くなる。突起の高さを低くすると、真空領域の高さも低くなる。真空圧力次第で、これは真空領域における分子間の衝突の減少につながり、任意の熱抵抗に対するより高い圧力が可能となる。そのため、断熱材の製造をより容易にして柔軟な真空断熱パネルの大量生産を実現するために、任意の熱抵抗を得るべくより高い真空圧力を使用してもよい。さらに特定の実施形態において、所定のＲ値が望ましい場合は、望ましいＲの達成に必要なストラタムの数を計算することができる。本発明の断熱材装置のＲ値は、Ｋ−ｍ^２／Ｗの単位で約２．５〜約６でありうる。比較的より薄い層が使用される幾つかの実施形態においては、薄層であることから任意の装置の厚さに対してより多くのストラタムが可能になるためＲ値はさらに高くなりうる。

ストラタムの熱抵抗を高めるために、ストラタムの既存の層の間に他の中間層を挿入するか、斜めに位置付けてもよい。幾つかの実施形態において、中間層には少なくとも一つの構造を持つ基板を含みうる。中間層材料は、最終用途にふさわしい高分子、セラミックまたは複合材料でありうる。幾つかの実施形態において、中間層は、その真空体積に対して中間層材料の体積を最小限に抑えその上下の層への接触領域を最小限に抑えることでこれらの層の材料を通した熱伝導を低下させるような、特殊設計である。構造的サポートを提供しつつ真空領域を同時に最大限に高める、中間層設計の非制限的な例は、薄い蛇腹式構造である。蛇腹形の断面図が図３に示されている。蛇腹の三角形構造の上部は、上下の表面に対する接触領域を制御できるように予め決められた幅で作ることができる。真空が引かれた時に熱抵抗と構造強度を最大限に高めるために、突起が互いに直交して配置される場合は、二重の中間層設計を使用してもよい。

本発明の幾つかの実施形態において、第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状は、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状と同じでありうる。第二のセラミック層または高分子層の構造は、第一のセラミック層または高分子層の構造とは異なる形で回転させたり角度付けたりしてもよい。別の実施形態において、第二のセラミック層または高分子層の構造は、第一のセラミック層または高分子層の形状とは異なっている場合がある。本発明の特定の実施形態において、第二のセラミック層または高分子層は、対応する構造が接触した状態で第一のセラミック層または高分子層の上に位置付けられうる。他の場合では、第二のセラミック層または高分子層は、対応する基板が接触した状態で第一のセラミック層または高分子層の上に位置付けられうる。

本発明のさらなる実施形態において、熱伝導経路を最小限に抑えて熱抵抗を最大限に高めるためにストラタムの諸層が効果的に積み重ねられるように、層ごとの構造周期性は違っていてもよい。特定の実施形態において、断熱材装置には、一つのストラタムが第二のストラタムとは異なる一連の周期性を持ちうる少なくとも二つのストラタムを含みうる。別の方法として、二つのストラタムは同じ一連の周期性を持っていてもよいが、一つのストラタムは第二のストラタムからオフセットされた位置に配置されるか積み重ねられ得る。さらに、断熱材の二つの層の直交構成は堅固な構造を形成する場合があるため、特定の実施形態において、断熱材に柔軟性を与えるために各層の内部切断点を互いに整列させてもよい。

本発明のさまざまな実施形態において、図４に示されるように、二つの各タイプから構成される四層が一つのストラタムを形成する。特に、図４は、四層を持つストラタム４００の断面図であり、ここで第一の層４２０がレンズ状突起設計であり突起の先端が断熱される領域とは反対方向に面し、第二の層４４０が蛇腹式構造で第一の層４２０と直交して配置され、第三の層４６０もまた蛇腹式構造で第二の層４４０と直交して配置され、レンズ状突起設計の第四の層４８０が第三の層４６０と直交して配置され、幅広の端部またはベース部分が周囲環境または他の層に面している。両側から突起のある単一の基板（または基板が接触している場合は二つの層）の場合、突起の先端は断熱対象領域に面している。幾つかの実施形態において、ストラタムの第三の層または第二の層は、熱抵抗を高めるためにその下の第一の層からオフセットされた位置に配置されうる。別の実施形態において、ストラタムの第四の層は、熱抵抗を高めるためにその下の第二の層からオフセットされた位置に配置されうる。

本発明の断熱材装置は、熱抵抗値（Ｒ）を高めるために互いに合わせて使用されうる。幾つかの実施形態において、かかる装置の構造は、真空領域に対する比率としての材料体積を低くすることで熱抵抗を高めるために、できる限り距離を離して位置付けられうる。距離は、その構造強度、また従って、真空形成のために圧力が下がるにつれて崩壊しないようにする固有能力によってのみ制限される。さらに、距離は構造間での材料の下方への引きを制限するように設計されているため、いずれかの層のベースを熱抵抗器または外部熱貯留層（即ち、周囲環境）によって覆われているか保護されている領域に接触させることで、真空領域を熱で「ショート」させる。これが生じる場合、各層を通しての伝熱が高くなるため熱抵抗が低下する。

任意の二つの層間、またはストラタム当たり一層において、反射性が正反射性または乱反射性である高反射材料または表面反射材料の一つ以上の層が存在しうる。別の実施形態において、セラミック層または高分子層は表面反射材料を含みうる。本明細書で使用される場合、「高反射性」という用語は約８０％を超える場合を意味する。高反射材料には金属箔または金属化フィルムを含みうる。非制限的な例には、アルミニウム箔、金箔およびアルミまたは二重アルミＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルム（ＭＹＬＡＲ（登録商標）は米国デラウェア州のＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔＤｅＮｅｍｏｕｒｓａｎｄＣｏｍｐａｎｙの商標）がある。別の実施形態において、高反射材料には、例えば二酸化チタンなどの誘電材料を含みうる。本発明の特定の実施形態において、反射材料層には高反射材料の単層を含みうる。別の実施形態において、反射材料層には高反射材料の多層スタックを含む。

幾つかの実施形態において、高反射材料層の厚さは約０．０２５μｍ〜約１０μｍである。厚さとして約０．０２５μｍ〜約１μｍという値は金属箔で一般的であり、約１μｍ〜約１０μｍという値は金属化フィルムで一般的である。好適な実施形態において、高反射材料層の厚さは約１．０μｍ以下である。高反射材料の存在は、真空中の残存粒子の平均自由行程が真空の厚さに近づき反射材料が赤外線を反射するように真空領域の厚さを減らすことで、熱抵抗を高める。本発明の特定の実施形態において、各層を通しての放射を防止または最小限に抑えるために、反射材料被覆を突起などの構造の一部に適用してもよい。幾つかの実施形態において、構造の各側または面は反射金属によって被覆されており、これは各ストラタムが四つの金属化表面を含みうることを意味する。本発明の幾つかの複数層の実施形態において、第一のセラミック層または高分子層の表面反射材料は第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料に面してもよい。

本発明のさまざまな実施形態において、ストラタムは、反射表面がある場合もない場合もある状態で真空を実現・保護する保護的な高分子被覆に収容されうる。特定の実施形態において、ストラタムは、約６ヵ月〜約５０年間、真空パネルを持続させることのできる高分子の袋またはジャケット（カバー）に収容されうる。幾つかの実施形態において、袋は層ごとにガスバリアおよび／または防湿層、ナノ被覆材料の他、ヒートシール層を含む多層構造を含みうる。

ガスバリアおよび／または防湿層は、ガス拡散に対して物理的な不透性バリアを提供する他、放射に対する反射体としての役目も果たしうる、例えばアルミニウムなどを真空蒸着した材料の薄い（約３０〜６０ｎｍ）層を含みうる。さらに、ガスバリアおよび／または防湿層は、ガスバリア特性を強化するために、例えばポリ塩化ビニリデン（ＰＶｄＣ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）、またはポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）などの有機物質を含みうる。また別の実施形態において、温度は脱ガスを促進するために循環的に変動するように設計してもよく、複数のストラタムを脱ガスしながら層中の分子運動を促進するために循環的脈動運動を追加してもよい。例えばナノサイズの酸化アルミニウムなどの他の材料を、ゲッターとしての役目を果たす表面被覆として使用することもできる。

ストラタムが袋またはジャケットの中に配置された後、本発明の幾つかの実施形態においては、真空に引かれ袋が密閉される前に、環境大気を置換するためにアルゴンまたはキセノンなどの不活性ガスを袋にポンプ注入してもよい。アルゴンおよびキセノンの熱伝導率は相対的に空気よりも低いため、これは断熱材装置の熱抵抗を改善する。別の実施形態において、ストラタムは真空下に置く前に５０°Ｃ〜９０°Ｃで乾燥される。必要な真空レベルは、望ましい用途、層の構造、設計および構成、層の数、必要な断熱値（Ｒ）を含むがそれらに限定されない数多くの要因に基づいて異なる。さまざまな実施形態において、近真空圧力は約１０^−６バール以下であり、特定の実施形態において、必要な真空レベルの範囲は約１０^−３バール〜約１０^−６バールの範囲でありうる。本発明の特定の実施形態において、ストラタムと保護的な高分子バリアの被覆が同時に脱ガスされ圧力が別々に低下する、二重または複数チャンバー組立てシステムが使用される。脱ガスは、真空下に置かれる前またはその最中に、また最善の効果を得るために場合によってはその両方において、焼成を用いて行うことができる。

特定の実施形態において、袋の密閉は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）、または非晶質ポリエチレンテレフタレートシート（Ａ−ＰＥＴ）を用いたヒートシーリングによって達成されうる。

本発明の断熱材は、射出成形および／またはマイクロレプリケーション技法を含むがこれらに限定されない、当技術分野の当業者が理解している業界で使用される任意の方法によって製造されうる。一つの実施形態において、望ましい構造でマスター金型を機械加工してもよい。マスター金型は、例えば構造の特徴の大きさ次第で、ダイアモンド旋盤、レーザーエッチングまたは化学的にエッチングされうる。構造は次に、型押し（熱）、鋳造および硬化（ＵＶ反応開始）、または他の射出成形技法で形成されうる。インターネットを使った圧延工程または他の圧延工程を使用してもよい。特定の実施形態において、圧延工程は、最初は回転速度約３０〜５０ｍｍｉｎ^−１で作動する。結果的に生じるシートは、最高二メートル幅となり、望ましい長さおよび幅にカスタム化されうる。幾つかの実施形態において、ジャケットの雰囲気を、真空下に置かれる前に例えばアルゴンまたはキセノンなどのガスによって強化し、自動工程を用いてシートを操作し、高分子ジャケットに配置しうる。

本発明の幾つかの実施形態において、セル状のシーリング・マトリックスを追加するために、真空シール後に追加的なホットシーリング技法を使用してもよい。これは、例えば、断熱材装置が穿孔されて断熱効果が最小限に抑えられる可能性がある用途において好ましい。

本発明に従った断熱材は、任意の物体を断熱するために使用されうる。幾つかの実施形態において、断熱材は望ましい温度に品目の温度を維持することを支援するために使用されうる。別の実施形態において、断熱材は品目からの熱損失を防ぎうる。用途の例には、食品包装、飲料用缶、ボトル、柔軟性のある飲料用包装袋、送電ケーブルおよび機器の断熱体、液体寒剤用の移動および輸送システム、ヒートパイプ、熱ポンプ、宇宙ロケット発射用推進剤タンクおよび供給ライン、冷蔵ユニット、電化製品、医療品包装（例：ワクチン用）、医療搬送用ボックス、任意のタイプの容器、二酸化炭素、アンモニア、冷却水または塩水、石油および蒸気の移動および輸送、および木製ボード、石こうボード、屋根断熱、真空断熱材料の裏打ちなどの住居用途が含まれるが、これらに限定はされない。

本発明の特定の実施形態において、断熱材装置は例えば二重壁を持つ金属容器など、容器の一構成要素でもありうる。例えば、断熱材は二重壁の金属飲料容器の形状に対応する円筒形状に成形し、かかる容器の中身を断熱するために使用されうる。幾つかの実施形態において、断熱材の厚さは約２ｍｍ未満でもよく、二重壁の飲料容器の二つの壁の間に配置されうる。二重壁の容器はその後シールされうる。当技術分野の当業者であれば理解されるように、二重壁の飲料容器は真空シールするか、別の実施形態においては真空シールせずに、その中身を保護する目的だけでシールしてもよい。

前述のものは特定の好適な実施形態に言及しているものの、当然のことながら、本発明はそのようには限定されない。当技術分野の当業者であれば、さまざまな修正を本開示実施形態に行うことができ、かかる修正は下記の請求項で定義される本発明の範囲内となるよう意図されていることに気づくであろう。

Claims

断熱材であって、
セラミック層または高分子層から形成されたオープンセル・ネットワークを含み、ここでセラミック層または高分子層は少なくとも一つの構造を持つ基板を含み、セラミック層または高分子層の配置によってセラミック層または高分子層の周辺で真空バリアを用いてシールされうる各層内部における体積の大きな空隙での近真空圧力の形成が可能となる断熱材。
前記オープンセル・ネットワークが材料体積に対して少なくとも４０％の真空領域で特徴付けられる、請求項１に記載の断熱材。
オープンセル構造を可能にする体積の大きな領域を形成しつつ、前記構造が空洞に構造的サポートを提供する、請求項１に記載の断熱材。
前記構造が先端部分よりも大きいベース部分で特徴付けられる、請求項１に記載の断熱材。
前記構造がレンズ状突起、蛇腹式構造、Ｔ字型、Ｕ字型、正方形、長方形、または不規則または正多面体の柱および柱断面、曲線、円形、かぎ状、楕円、およびその組み合わせである柱および柱断面を含む、請求項１に記載の断熱材。
前記構造がレンズ状突起である、請求項１に記載の断熱材。
レンズ状突起の両側が曲線、直線またはその組み合わせである、請求項６に記載の断熱材。
セラミック層または高分子層が複数の構造を含む、請求項１に記載の断熱材。
構造が基板の片側から延びている、請求項８に記載の断熱材。
構造が基板の両側から延びている、請求項８に記載の断熱材。
セラミック層または高分子層が断熱材の熱抵抗を高めるような方法で積み重ねられた複数の基板を含む、請求項１に記載の断熱材。
セラミック層または高分子層が表面反射材料を含む、請求項１に記載の断熱材。
表面反射材料がアルミニウム箔、金箔、あるいはアルミまたは二重アルミＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルムから成る、請求項１２に記載の断熱材。
表面反射材料が高反射性の誘電材料を含む、請求項１２に記載の断熱材。
高反射性の誘電材料が二酸化チタンである、請求項１４に記載の断熱材。
表面反射材料の厚さが約１．０μｍ以下である、請求項１２に記載の断熱材。
表面反射材料が少なくとも一つの構造の各面に結合された、請求項１２に記載の断熱材。
近真空圧力が最大で約１０^−３バールである、請求項１に記載の断熱材。
近真空圧力が約１０^−６バール以下である、請求項１に記載の断熱材。
断熱構造材料の厚さが約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍである、請求項１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層がストラタム形成のために少なくとも一つの構造を持つ基板を含む、第二のセラミック層または高分子層をさらに含む、請求項１に記載の断熱材。
セラミック層または高分子層が複数の構造を含む、請求項２１に記載の断熱材。
構造が基板の片側から延びている、請求項２２に記載の断熱材。
構造が基板の両側から延びている、請求項２２に記載の断熱材。
構造が基板にとって不可欠である、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状と同じである、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造とは異なる形で回転され、および角度付けられている、請求項２２に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状とは異なる、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の周期性が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の周期性と同じである、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の周期性が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の周期性とは異なる、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層が、対応する構造が接触した状態で第一のセラミック層または高分子層の上に位置付けられている、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層が、対応する基板が接触した状態で第一のセラミック層または高分子層の上に位置付けられている、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造と並行して位置付けられている、請求項２１に記載の断熱材。
断熱材の熱抵抗が円筒状熱導体によって近似される、請求項３３に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造が、第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造と直交して位置付けられている、請求項２１に記載の断熱材。
断熱材の熱抵抗が球状熱導体によって近似される、請求項３５に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層が表面反射材料を含む、請求項２１に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料がアルミニウム箔、金箔、あるいはアルミまたは二重アルミＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルムから成る、請求項３７に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料が高反射性の誘電材料を含む、請求項３７に記載の断熱材。
高反射性の誘電材料が二酸化チタンである、請求項３９に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料の厚さが約１．０μｍ以下である、請求項３７に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料が少なくとも一つの構造の各面に結合された、請求項３７に記載の断熱材。
第二のセラミック層または高分子層の表面反射材料が、第一のセラミック層または高分子層の表面反射材料に面している、請求項３７に記載の断熱材。
前記中間層が少なくとも一つの構造を持つ基板を含む、中間層をさらに含む請求項２１に記載の断熱材。
ストラタム形成のために中間層が第一のセラミック層または高分子層と第二のセラミック層または高分子層の間に位置している、請求項４４に記載の断熱材。
中間層が複数の構造を含む、請求項４４に記載の断熱材。
中間層が第一のセラミック層または高分子層に対して斜めに位置付けられている、請求項４４に記載の断熱材。
中間層が第二のセラミック層または高分子層に対して斜めに位置付けられている、請求項４４に記載の断熱材。
中間層の構造が基板の片側から延びている、請求項４８に記載の断熱材。
中間層の構造が基板の両側から延びている、請求項４８に記載の断熱材。
構造が基板にとって不可欠である、請求項４４に記載の断熱材。
中間層の少なくとも一つの構造の形状が、第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状および第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状と同じである、請求項４４に記載の断熱材。
中間層の少なくとも一つの構造の形状が、第二のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状および第一のセラミック層または高分子層の少なくとも一つの構造の形状とは異なる、請求項４４に記載の断熱材。
中間層の少なくとも一つの構造が蛇腹式構造である、請求項４４に記載の断熱材。
蛇腹式構造の上下の表面との接触領域が制御されるように、蛇腹式構造の三角形部分の先端が予め決められた幅である、請求項５４に記載の断熱材。
断熱材が、反射性表面を持つ場合も持たない場合もある状態で、真空を実現・保護する保護的な高分子被覆で真空シールされている、請求項１〜５５に記載の断熱材。
柔軟性のあるパネルである、請求項１〜５５に記載の断熱材。
鋳造および硬化または型押し方法により製造されたマイクロレプリケーション構造である、請求項１〜５５に記載の断熱材。
食品包装、飲料用缶、ボトル、柔軟性のある飲料用包装袋、送電ケーブルおよび機器用の断熱体、液体寒剤用の移動および輸送システム、ヒートパイプ、熱ポンプ、車両用推進剤タンク、供給ライン、冷蔵ユニット、電化製品、医療品包装、医療搬送用ボックス、容器、二酸化炭素、アンモニア、冷却水または塩水、石油および蒸気の移動および輸送システム、木製ボード、石こうボード、屋根断熱、および真空断熱材料から成る一群から選ばれた、請求項１に記載の断熱材を含む製品。
断熱材装置であって、
第一のセラミック層または高分子層が第一の構造を含む第一のセラミック層または高分子層、第二のセラミック層または高分子層が第二の構造を含む第二のセラミック層または高分子層、第一の中間層が第三の構造を含む第一の中間層、第二の中間層が第四の構造を含む第二の中間層および反射材料層から形成され、第一および第二のセラミック層または高分子層、第一および第二の中間層、および反射材料層の配置によって、シールされうる前記層それぞれの内部での真空の形成が可能となるオープンセル・ネットワークを含む四層のストラタム、および、
第一、第二、第三および第四の構造の総表面積の約１％以下が互いに接触し合っている保護的な高分子被覆を含む、断熱材装置。
さらに表面反射材料を含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
前記オープンセル・ネットワークが材料体積に対して少なくとも４０％の真空領域で特徴付けられる、請求項６０に記載の断熱材装置。
第一および第二の中間層がセラミック層または高分子層である、請求項６０に記載の断熱材装置。
第一、第二、第三、および第四の構造のいずれかが先端部分よりも大きいベース部分で特徴付けられる、請求項６０に記載の断熱材装置。
ベース部分がベース基板に取り付けられている、請求項６４に記載の断熱材装置。
第一、第二、第三および第四の構造のいずれかがレンズ状突起である、請求項６０に記載の断熱材装置。
第一、第二、第三および第四の構造のいずれかが蛇腹式構造である、請求項６０に記載の断熱材装置。
反射材料層がアルミニウム箔、金箔、あるいはアルミまたは二重アルミＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルムから成る、請求項６０に記載の断熱材装置。
反射材料層が高反射性の誘電材料を含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
高反射性の誘電材料が二酸化チタンである、請求項６９に記載の断熱材装置。
反射材料層の厚さが約１．０μｍ以下である、請求項６０に記載の断熱材装置。?
反射材料層が第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つの少なくとも一部分に結合されている、請求項６０に記載の断熱材装置。
反射材料層が多層スタックである、請求項６０に記載の断熱材装置。
セル状のシーリング・マトリックス層をさらに含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
前記断熱材装置が約６ヵ月〜約５０年間、真空を持続することができる、請求項６０に記載の断熱材装置。
層ごとのガスバリアをさらに含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
層ごとの防湿層をさらに含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
ナノ被覆材料がゲッターとしての役目を果たす、ナノ被覆材料をさらに含む請求項６０に記載の断熱材装置。
複数の内部周辺真空シール層をさらに含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
真空蒸着した金属の層をさらに含む、請求項６０に記載の断熱材装置。
容器の表面の所定の部分に前記断熱材装置が形成される、請求項６０に記載の断熱材装置。
四層から成る第二のストラタムを少なくともさらに含み、前記第二のストラタムが、第一のセラミック層または高分子層が第一の構造を含む第一のセラミック層または高分子層、第二のセラミック層または高分子層が第二の構造を含む第二のセラミック層または高分子層、第一の中間層が第三の構造を含む第一の中間層、第二の中間層が第四の構造を含む第二の中間層および反射材料層から形成されるオープンセル・ネットワークを含み、第一および第二のセラミック層または高分子層、第一および第二の中間層、および反射材料層の配置によってシールされうる前記層それぞれの内部での真空の形成が可能となる、請求項６０に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の形状が第二のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の対応する形状と同じである、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の形状が第二のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の対応する形状とは異なる、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムおよび第二のストラタムが対応する層と同じ周期性の層を持つ、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムおよび第二の層ストラタムが少なくとも一つの対応する層で異なる周期性を持つ、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの少なくとも一つの層が第二のストラタムの対応する層からオフセットされている、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一および第二のストラタムそれぞれに内部切断点があり、第一のストラタムおよび第二のストラタムの前記内部切断点が断熱材装置にある程度の柔軟性を与えるように配列されている、請求項８２に記載の断熱材装置。
円筒状または実質的に円筒状に形成され、近真空圧力でシールされて飲料または他の容器用の断熱内部層または外部層を形成する、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つが、第二のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つに対して斜めに位置付けられている、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つが、第二のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つに直交して位置付けられている、請求項８２に記載の断熱材装置。
第一のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つが、第二のストラタムの第一、第二、第三および第四の構造の少なくとも一つに並行して位置付けられている、請求項８２に記載の断熱材装置。
前記断熱材装置が乾燥されている、請求項８２に記載の断熱材装置。
層間で近真空を維持するために前記断熱材装置が真空シールされている、請求項８２に記載の断熱材装置。
前記断熱材装置が装置周辺で、真空下でヒートシールされている、請求項８２に記載の断熱材装置。
前記断熱材装置が前記装置の周辺に延びているガスバリアおよび防湿層の材料により同時に装置周辺で真空ヒートシールされている、請求項８２に記載の断熱材装置。