绝热板以及用这种绝热板绝热的方法

专利名称：绝热板以及用这种绝热板绝热的方法
技术领域：
本发明涉及一种新型绝热板，或者，更精确地说，是涉及一种以利用热梯度的新绝热理论为基础的新的绝热板以及用这种绝热板绝热的方法。
在一个密闭的空间，例如建筑物和贮存器，为了隔绝热从内向外或从外向内的传递，通常使用各种不同的无机或有机绝热材料。
例如，无机绝热材料包括，如玻璃纤维和泡沫玻璃的玻璃质绝热材料，如石棉、矿渣棉、珍珠岩和蛭石的矿物质绝热材料，如多孔性硅石、多孔性矾土、矾土、氧化镁、氧化锆和耐火砖的陶瓷质绝热材料，如石墨和碳纤维的碳质绝热材料等，有机绝热材料包括如泡沫聚乙烯、泡沫聚苯乙烯和泡沫聚氨酯的泡沫塑料，如木板、软木和植物纤维的天然材料质的绝热材料等。
此外，还已知具有空气层的绝热材料，这种材料利用低导热率的气体，如空气，并把它们密封在铝、纸或塑料中。
这些绝热材料的作用是通过使用其本身具有低导热率的材料来抑制热传递或通过在孔或间隙中密封一种低导热率的物质如气体抑制热的转移。
顺便提一下，众所周知，一般当增加孔或间隙以降低密度从而降低导热率时，能提高多孔绝热材料的绝热效率，但是过度地降低密度将导致机械强度下降，并且由于温度上升引起气体对流还导致热传递加快，因此提高孔或间隙的方法固有地具有局限性。
另一方面，通过增加绝热材料的厚度来提高绝热效果是适宜的想法，尽管在实际中它带来一些不利之处，例如，由于所用绝热材料增多从而增加费用，绝热所需的体积增大等等。
本发明的目的在于提供一种绝热材料，其完全不同于使用低导热率材料或使用通过密封气体如空气降低导热率的多孔材料的传统绝热材料，它是建立在一个新的原理的基础上，根据这种原理从面向低温侧的表面到面向高温侧的表面形成热梯度从而阻止热传递，并且还提供使用这种材料绝热的方法。
本发明人已经通过在高温带和低温带之间放置绝热板对热从高温带向低温带传递的机理进行了研究，所发现的结果如下。
结果是，当热以辐射或对流方式向绝热板朝向高温带的表面传递时，面向高温带表面上的热量以传导的方式传向面向低温带的表面。并且，通过在面向低温带的表面上与低温流体接触把热传送给低温流体。
当构成绝热板的材料的总热容积较小或较大时，与这种低温流体相接触的绝热板的温度降低的更快或更慢。
因此，当在绝热板面向低温带的表面上提供一种高热容积层时，在该高热容积层中从绝热体传来的热和低温流体带走的热之间会形成平衡状态，假定通过对流带走的热是不变的，那么与原来的绝热板相比较，面向低温带的表面的温度会升高的更多，这样就可以防止通过绝热板从面向高温带的表面的热传递。
下面的数字方程式用来表明这种热流动状态。
q＝α1(Tr-T1)(I)＝λ/L(T1-T2) (I′)＝α0(T2-T0) (I″)其中，q代表热流量，α1代表高温带流体的导热系数，α0代表在低温带中流体的导热系数，Tr表示在高温带中流体的温度，T1表示绝热板面向高温带的表面的温度，T2表示绝热板面向低温带的表面的温度，T0表示朝向低温带的流体温度，λ表示绝热板的导热率，L表示绝热板的厚度。
这个公式表明，热从高温带的流体传给绝热板面向高温这边的表面上，通过热传导流过绝热板内部，然后从绝热板面向低温带的表面传到低温带的流体。
另一方面，物体还要经受由于太阳光、二次产生的远红外光等等入射而产生的热传递，因此有必要研究这些辐射热的影响。顺便说说，当放置在高温带和低温带之间的绝热板接受到辐射热时，绝热板吸收辐射热从而使整个板体的温度升高。并且，当面向低温带的表面由于与低温流体持续接触而保持低温时，绝热板内部的温度，例如在厚度方向靠近中间的部分，保持在某种程度的升高状态，这样，因为继续吸收辐射热，温度接连地升高，最后升到与高温带温度相同或者高于高温带温度，从而可以阻止热从面向高温带的表面传到面向低温带的表面。而且，这种趋势在能吸收大量辐射热的物体中比在只能少量吸收辐射热的物体中更显著。
因此，给绝热板的低温带一侧提供一层与绝热板相比能更多地吸收辐射热的吸收层时，整个板体吸收的辐射热增大，这样能阻止热从面向高温带的表面传给面向低温带的表面。
基于上面提到的发现，本发明人已做了更深入的研究，结果发现，当在不透明基板的一表面上层压由一种与用于组成绝热板的基板相比具有较小的热容积和较少辐射热吸收的材料组成的透明层制成绝热板并使基板面向高温带放置时，与只有基板制成的绝热板相比，其绝热效果能大大改善，从而也就完成了本发明。
换句话说，本发明提供一种绝热板，该绝热板被放置在高温带和低温带之间用来隔绝从高温带到低温带的热辐射，其特征在于绝热板是由面向低温带放置的不透明导热基体和面向高温带放置的导热透明层的复合体组成，所说的透明层与所述基体相比具有较小的热容积和热辐射吸收率，同时提供一种绝热方法，其特征在于由一不透明导热基体和一层其热容积和热辐射吸收率低于基体的导热透明层的复合体组成的绝热板被放置在高温带和低温带之间，并且透明层面向高温带布置。
这里，用Q表示的热容积，是一个通过下列方程定义的参数。
Q＝V·d·C (II)＝W·C (II′)这里，C是比热，或者，换句话说，是单位重量(g)的物质温度提高1℃所需的热(cal/g/℃)，d表示密度，或者，也就是说是每单位体积(cm3)物质的重量(g)，V表示物质的总体积(cm3)，W是物质的总重量。上面提到的比热C是每种材料所固有的性质，虽然它的数值随温度不同而变化，但是用在本发明中的数值是在外面环境温度下使用测定比热的常规仪器得到的值。
并且，此处的辐射热吸收率是指从热源辐射的辐射温度与热源的辐射通过一规定材料之后温度下降之比，以百分比表示，在规定材料中辐射热吸收率X根据下列公式决定。
X＝(T－T′)/T×100 (III)其中，T表示从热源辐射的辐射温度(℃)，T′表示通过规定材料之后从热源辐射的辐射温度(℃)。
同时，当温度越来越高时，物体以不断增大的速度通过辐射放出大量能量，在某温度下所放出的辐射最高强度的中心波长(λm)根据韦恩(Wien′s)定律用下式表示。
λm＝b/T(IV)其中，T是指绝对温度。
这里，b是用下面公式表示的常数。
b＝ch/βk其中，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，c是在真空中的速度，β是超越公式e-β＋(β/5)－1＝0的根，通过这些数值代换，b为2898(μmk)。
这得到λm＝2898/T (IV′)另一方面，当固体表面不透明时，射在物体上的能量部分被固体表面吸收，剩余的能量被反射，这样可以得到下面公式。
αλ＋ρλ＝1 (V)并且，透明材料，例如玻璃，允许可见光区和接近红外光区的光透过，但是几乎不让波长大于2.5μm的透过，这样得到下列公式。
αλ＋ρλ＋τλ＝1 (VI)其中，αλ表示吸收率，ρλ表示反射率，τλ表示透射率。
因此，就一个密闭区域来说，一个物体对辐射热的吸收率取决于在热源存在的温度下放出的最高强度的波长。
所以，在本发明中，所用的辐射热吸收率是通过实际测定在临近其使用温度时每种材料的表面温度并按照上面给出的公式(III)计算得到。


图1是一个放大的横截面图，说明本发明的绝热板结构的一个例子。
图2是曲线图，表明本发明的绝热板和传统的铁板之间绝热效果的不同。
下面参照附图描述本发明的绝热板。图1是横截面放大图，用来说明本发明的绝热板结构的一例，其中，由一种导热材料制成的透明层层压在由不透明导热材料制成的基体的朝向高温带的表面上。并且，基体朝向温度为TL的低温带，透明层朝向温度为TH的高温带。
这个透明层的热容积和辐射热吸收率必须小于基体，其优选地是热容积不超过基体的10％，或更优选地是不超过5％，辐射热吸收率不超过基体的60％，或更优选地不超过50％。
本发明中，基板厚度范围是0.5～10mm，透明层的厚度范围是1～1000μm，不过，当在如冷藏室、大型设施等等的大尺寸中使用时，厚度还可以更大，同样，在如电子设备的小尺寸情况下，也可以使厚度更小。
在本发明中，用于构成绝热板的基板的材料包括不透明无机和有机材料，例如，金属、金属氧化物、陶瓷、塑料、橡胶等等。
在它们中，金属的例子如下纯金属，例如铁、铝、锌、镁、金、银、铬、锗、钼、镍、铅、铂、硅、钛、钍和钨，以及合金，例如碳钢、镍钢、铬钢、铬钼钢、不锈钢、铝合金、黄铜和青铜。
并且，金属氧化物举例如下氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钍、氧化锆、三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化钛、氧化钙、氧化锌、氧化铅等，陶瓷举例如下不透明的玻璃、瓷和瓷料，烧结碳化硅，烧结氮化硅，烧结碳化硼，烧结氮化硼等等。
其次，塑料举例如下丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、氯乙烯树脂、氟树脂、硅氧烷树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、AS树脂、ABS树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、醋酸纤维素酯树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、含离子键的聚合物，氯化聚醚、乙烯-α-烯烃共聚物，乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯化聚乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚苯醚、聚亚苯基硫醚、聚芳基砜、聚醚-酮醚等，橡胶举例如下天然橡胶、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、硅(氧)橡胶、聚氨酯橡胶等等。当使用它们作为基体时，必须与填料、颜料等复合变成不透明的。
此外，矿物，如花岗岩、大理石等，陶瓷制品，如砖、混凝土等，木材，如日本杉、松树、日本柏树，等等，纤维制品，如棉布、亚麻布、木棉布、纸等，皮革等根据需要也可以使用。
优选地使用红外区域具透光性的塑料作为本发明的透明层。一般来说，构成塑料的每个原子有一个取决于键合态的红外光的吸收波长，C-C，C-O和C-N单键的主吸收波长在7.5～12.5μm之间，C＝C，C＝O，C＝N和N＝O双键的范围是5.5～6.5μm，C≡C和C≡N三键的范围是4.5～5.0μm，在其它范围几乎没有吸收而呈现高透明度。
另一方面，正如前面所提到的一样，从热源辐射出的红外线的波长范围很宽，在中央具有最大强度的波长范围取决于热源温度。例如，在太阳光的情况下，主波长大约是0.5μm，但是用作热源的波长区域大约是0.34～25μm，在19℃的地面温度下，主波长约是10μm，但是其所辐射的波长范围大约是7～13μm。
因此，当使用在红外区中能吸收的材料，例如，金属、不透明玻璃、不透明塑料、木材、混凝土、砖和大理石作为基体时，透明层可以在比基体吸收小的透明塑料中任意选择。
并且，在热源温度是或低于200℃及主要波长不超过大约6μm的辐射的情况下，优选地使用在波长为4μm或更小的区域中吸收少的透明塑料，例如，聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚氯乙烯、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸丁酯、硅氧烷树脂、丁二烯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶等等以及他们的混合物。
并且，当热源温度是高温，例如在阳光下大约是5727℃并且辐射的主波长大约是0.5μm时，优选地使用在0.3～2.5μm波长范围中吸收的透明塑料，例如，聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、醋酸纤维素、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、聚乙烯醇缩丁醛、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-α-烯烃共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、丙烯酸-氯乙烯共聚物、聚甲基戊烯、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸丁酯、尼龙-66、环氧树脂、硅氧烷树脂、丁二烯-苯乙烯树脂、聚砜、聚偏氟乙烯、MBS树脂、聚丁二烯、聚醚砜等等以及他们的混合物。
顺便说说，由于吸收很多从热源发出的临近主波长的辐射，物体的温度升高。并且，由不透明材料组成的基体吸收几乎整个波长区域的辐射，所以，如果选择在热源中产生的主波长附近具有吸收小、高透射率的材料作为透明层，那么基体就能吸收更多的辐射热以降低基体和透明层之间的温度梯度并延迟热从面向高温带的表面向面向低温带的表面传递。
根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，增加吸收光线物体的厚度可提高对光的吸收。
因此，如果假设所用的材料能吸收同样的辐射，那么就有可能进一步通过减小它的厚度来提高透射率并且降低吸收辐射热。而且，将一不透明物质厚度减小后，由于热辐射可以透过，也可用作透射层。
本发明的绝热板的形状没有特别的限制，它可以被作成任何所需要的形状，包括方形、圆形、圆柱形、半球形、球形等等，其表面形状可以加工成带波纹、粗糙、有突起等的表面。
本发明中玻璃基体和透明层的层压方法可以在以前用于把其他材料层压在基体上的传统方法之中任意选择，这些方法包括用热熔融粘接或胶粘粘接使预先加工成膜状或片状的透明层贴在基体的表面并与之粘接的方法；使塑料溶解在适当溶剂中，并涂在基体上，然后干燥、固化的方法；通过化学气相沉积、真空气相沉积、无电电镀等牢固粘连的方法等。
与使用绝热材料隔绝热传导的绝热板的现有技术不同，本发明的绝热板利用热梯度，困此，基体和透明层必需能导热。
例如图1，基体和透明层各是一个整体，并且，在本发明中，基体或透明层或两者都可以制成一个复合体。在这种情况下，对于每个基体和每个透明层，都必须满足面向高温带的比面向低温带的具有热容积小、吸收热辐射小的关系。并且，在这种情况下，希望以这样的方式构成，即最里面的透明层，或，即形成面向高温带表面的透明层的热容积不超过最外层基体，或，即形成面向低温带表面的基体的热容积的10％，或者，优选地不超过5％，同时热辐射的吸收不超过基体的60％，或者，优选地不超过50％。
本发明的绝热板可以和传统的绝热材料如泡沫苯乙烯、泡沫氨基甲酸乙酯等结合使用。
在高温带和低温带之间使用本发明的绝热板的绝热，可以通过在它们之间放置基板面向低温带的绝热板形成部分或整个隔墙来完成。
用这种方法，通过隔墙由传导从高温带直接向低温带这边的热传递被在反方向形成的热梯度阻止，并且，从高温带这边产生的热辐射透射过透明层以后被比透明层能吸收更多的热辐射的基体吸收，从而提高了基体的温度，这将导致进一步阻止热传导，并表现出绝热效果。
因此，本发明的绝热板可以有效地用作居住房和冷藏室的天花板材料，墙体材料和地板材料，各种不同容器的基础材料等。
下面，用实施例来进一步详细描述本发明。
买施例1准备两个由5mm厚的泡沫苯乙烯板制成的只具有一敞开侧表面的立方体盒子(50×50×50cm)，其中，在一只盒子的能敞开侧固定只由1mm厚的单层铁板组成的绝热板(A)(热容积216.4cal/℃，热辐射的吸收率98％)，在另一只盒子的敞开侧固定绝热板(B)，绝热板(B)是在同样的铁板的外表面上，层压5μm厚的甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯-苯乙烯共聚物的透明层(热容积0.5cal/℃，热辐射吸收率30％)。
接着，用红外加热器从外部加热这些盒子，当内部温度升到55℃时，停止加热，然后用距绝热板1.2米远的空调吹16℃的冷空气，并记录这段时间中内部温度的变化。
结果见图2的曲线图，虚线表示(A)，实线表示(B)。
实施例2两个方形窗户，每个都是1m高，1m宽安放在容积为44m3的房间中，其中，一个装上3mm厚的黑色玻璃板(热容积1500cal/℃，热辐射吸收率95％)，另一窗户装上块绝热板，这块绝热板是在相同的黑色玻璃板朝内的表面上再层压5μm厚的由丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的共聚物组成的透明层(热容积2.0cal/℃，热辐射吸收率30％)，然后，晚上，在2300kcal/h的房间热空气加热器工作情况下，测量玻璃板和绝热板内外表面在这段时间的温度变化。结果见表1。
表1
>
从这张表可以看出，与玻璃板朝屋内的表面相比，朝屋外的表面的表面温度下降了0.2～1.1℃，而绝热板几乎没有发现降低。
实施例3准备一块绝热板，即将溶有氯乙烯树脂的丙酮溶液涂在与实施例2相同的黑色玻璃板的朝内的表面上，并使之形成5μm厚的涂膜层。其热容积是1.9cal/℃，热辐射吸收率大约是44％。
使用这块绝热板，做实验同实施例2。结果见表2。
表2
<p>从表2可以看出，与玻璃板朝内的表面相比，朝外的表面的温度降低了0.3～1.1℃，而在绝热板上几乎没有降低。
实施例4准备一块绝热板，即将溶有氯乙烯和醋酸乙烯共聚物的丙酮溶液涂在与例2相同的黑色玻璃板上，并使之形成5μm厚的涂膜层。这种涂膜层的热容积是1.92cal/℃，热辐射吸收率53％。
使用这块绝热板，做实验同实施例2。结果见表3。
表3
从表中可以看出，与玻璃板朝内的表面相比，朝外的表面的温度下降了0.1～0.9℃，而在绝热板上几乎没有下降。
对比例准备一块绝热板，即在与实施例2相同的黑色玻璃板上提供一层5μm厚三聚氰胺树脂层。这种三聚氰胺树脂层的热容积是1.86cal/℃，热辐射吸收率为68％。
使用这块绝热板，做实验同实施例2，结果见表4。
表4
<p>从表中可以看出，当被层压的透明层的热辐射吸收不是基体的60％或更少时，几乎没有得到绝热效果。
实施例5准备两个与实施例1中相同的、由泡沫苯乙烯制成的立方体盒子。
在一只盒子的敞开侧固定一块1mm厚的镀锌铁板(热容积216.4cal/℃，热辐射吸收率95％)，在另一只盒子的敞开侧固定一块绝热板，这块绝热板是在同样的铁板的内表面涂上溶于甲苯和醋酸乙烯酯混合溶剂中的丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的共聚物，并使之形成不同厚度的透明层。
然后，在每个盒子的内部放置用黑色布覆盖的125瓦的红外灯并使之产生热量，在这段时间里记录它们内部温度的变化。结果见表5。
表5 说明)表中，X1表示透明层的热容积X2表示镀锌铁板的热容积从表中可以看出，当透明层的热容量较小时，内部的温度升高较快，并表现出很显著的绝热效果。
实施例6使用一幢十一层钢筋混凝土结构的建筑物的8层的两个同类型的房间(体积17.25m3，窗户面积1.4m2)，其中，在一间房子的窗户上固定1mm厚的镀锌铁板(热容积1211cal/℃，热辐射吸收率95％)，在另一房间的窗户上固定一块绝热板，这块绝热板是在同样的铁板的内表面涂上丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的共聚物并使之形成5μm厚的透明层(热容积2.8cal/℃，热辐射吸收率30％)，在绝对没有阳光射入的夜间，当用2300kcal/的热空气室内加热器进行加热时，记录这段时间每个房间的温度变化。结果见表6。
表6<
p><p>从表中可以看出。装有绝热板的房间保持较高的温度，从而显示出了绝热效果。
根据本发明，不必像传统的用泡沫材料制成的绝热板那样增加厚度，只需，在不透明材料的一表面上层压一层厚度薄的透明层，即可形成一热梯度，这样就可以满意地用作住房、冷藏室、冷冻车、保温容器等的隔离壁。
权利要求
1.一种绝热板，该绝热板被放置在高温带和低温带之间用于隔绝从高温带向低温带的热扩散，其特征在于它是由按面向低温带定位的不透明的导热基体和按面向高温带定位的导热的透明层的复合体组成的，所述透明层的热容积和热辐射吸收比该基体的热容积和热辐射吸收小。
2.根据权利要求1所述的绝热板，其中该透明层的热容积不超过该基体热容积的10％，该透明层的热辐射吸收不超过该基体热辐射吸收的60％。
3.一种绝热的方法，其特征在于在高温带和低温带之间放置一绝热板，该绝热板由不透明的导热基体和导热的透明层的复合体组成，该透明层的热容积和热辐射吸收比该基体的热容积和热辐射吸收小，并使该透明层面向该高温带。
4.根据权利要求3所述的绝热方法，其中该透明层的热容积不超过该基体热容积的10％，该透明层的热辐射吸收不超过该基体的热辐射吸收的60％。
全文摘要
一种绝热板和使用这种绝热板绝热的方法，它是以一种新的、利用热梯度的绝热理论为基础的。并且，这种绝热板的特征在于它是由面向低温带定位的不透明导热基体和面向高温带定位的导热透明层的复合体组成的，所述透明层的热容积和热辐射吸收比所述基体的热容积和热辐射吸收小。
文档编号F28F3/00GK1130421SQ94193247
公开日1996年9月4日 申请日期1994年9月2日 优先权日1993年9月3日
发明者鲸井由美子, 鲸井正见, 鲸井幸夫 申请人:株式会社世久途化学