隔热件的制作方法

专利名称：隔热件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及隔热材料的领域、和用于隔热的包封部件。具体但 不限于，本发明涉及具有高的热阻和机械稳定性的隔热结构。
背景技术：
隔热总体上涉及用于降低热传递速率的材料或用于降低热传递的方法 和过程。许多不同的材料可用作隔热体。隔热材料的典型性能包括高的孔 隙率、低的传导率和低的密度。有机隔热体可由石化产品和可回收塑料制 成。无机隔热体由可回收材料例如玻璃和炉渣制成。隔热材料也可以多种
方式和化合物制造，例如固体、粉末或粒状、气相二氧化硅(fUmed silica)、 层压片、气凝胶等。
气凝胶描述了基于它们的结构，即低密度、开孔结构(open cell structure)、大的表面积和纳米级孔尺寸，的一类材料。气凝胶是一种源自 凝胶的固定材料，其中，凝胶的液体部分已被替换为气体。它们具有纳米 级气孔。纳米级晶格结构和气孔使气体分子的平均自由路径降低，从而降 低了能量和质量传递。气凝胶有很多孔，产生卯-99%的空隙度。气凝胶产 品市场上可从多家公司例如Cabot公司获得(具体信息参看 www.cabot-corp.com )。
热量通过隔热材料的传递通过三种机理发生固体传导、气体对流和 辐射(红外)传输。这三部分的总和给出材料的总导热性。固体传导是特 定材料的固有性质。
孔非常多的物块或固体材料例如气凝胶是非常出名的隔热体，因为它 们几乎使上述三种热传递方法(对流、传导和辐射)均失效。对于致密硅 石，固体传导率是相当高的。然而，硅石气凝胶和其他孔非常多的硅石基 材料具有非常小的一部分固体硅。所存在的固体包括非常小的颗粒，该颗
粒以三维网络连接。因此，经过硅石气凝胶的固体部分和这些类型的材料的热传递通过非常曲折的路径进行，从而不是特别有效。孔非常多的材料 中空隙通常填充有空气(或其他气体)，除非材料密封在真空下。这些气体 也可使热量传递通过多孔材料。经过这些类型的材料的其他热传递模式涉 及红外辐射。硅石气凝胶在红外线谱中具有相当大的可透过性。在低的温 度下，热传递的辐射部分低，不是一个显著问题。
然而，在较高的温度下，辐射传递变为热传导的主要模式。碳气凝胶 是好的辐射隔体，因为碳吸收传递热量的红外辐射。具有辐射反射性能的 物质(反射体)通常用于降低辐射热传递。反射体可添加到隔热材料中或 与隔热材料组合，以应对辐射热传递的问题。
使隔热系统在真空下工作也降低了热传导率。真空隔热在多种产品(例 如热水瓶)中常见。在诸如气凝胶的材料的情况下，仅需降低压力就足以 延长相对于平均孔径的气体平均自由路径，以降低传导率。其他隔热系统 通常需要保持高的真空，以实现所需的性能。
称作杜瓦瓶的一种隔热结构自18世纪末期就开始使用，且在许多领域 中已用于多种目的。在地下和碳氢化合物开采领域，杜瓦瓶以不同于最初 的杜瓦瓶的方式使用。尽管它们起着将内部容纳物与外部热量隔开的相同 目的，但在油田应用场合中使用的杜瓦瓶比其他领域中使用的杜瓦瓶要经 受更高的温度，且它们需满足限制性更多的尺寸和物理结构要求。井下工 具暴露在恶劣的环境条件下。在陆地和海面上，钻探的井的平均深度均逐 年增大。井越深，工作压力和温度就越高。井下条件随着深度的增大而越 来越恶劣。在5000至10000米的深度，通常会遇到26(TC的井底温度和 200Mpa的压力。高压和高温的这些深井条件会损坏外部或外露的工具构件， 且会使内部电子器件过热。
油田工业中所使用的传统杜瓦组件包括细长的管状结构，通常是金属 的，且具有中心开孔，以容纳要求免受外部热量的构件。美国专利872795、 1497764、 2643021、 2776776、 3265893、 3481504、 3435629、 4560075、 6336408 4722026、 4375157、 4440219、 4513352、 2643022和美国专利申请公开 20050208649描述了杜瓦型热壳体。用于地下或井下工具的杜瓦瓶在钢丝绳 (wireline)应用中常见(例如参见美国专利4078174)。它们通常用于保 护设备的电子器件和其他温度敏感部件，以使它们免受井眼内所遇到的高温。
用于钻探应用的杜瓦瓶并不常见，因为冲击和振动问题。在钻井操作 过程中，井下工具的工具本体上要受到高的冲击和应力，因为在工具穿过 地层时被转动和挤压。传统杜瓦瓶包括外壳和内壳。壳之间包含有处于高
度真空下的MLI (多层隔热体)。所述多层隔热体通常包括多种材料的复合 物，所述多种材料包括用于辐射的反射体，例如薄铝片或金属膜、以及用 于将反射体隔开的玻璃纤维层。材料在环形空间中层叠，并使得它们之间 具有真空空间。层之间的高真空用于降低传导和对流。美国专利3038074、 4340405、 3007596描述了包括层叠隔热体的热壳体。美国专利6877332、 6672093、 6614718 6341498和美国专利申请公开20070095543描述了具有 气凝胶复合隔热体的杜瓦组件。
为了保护杜瓦瓶使它们免受冲击和振动，传统设计使用居中结构，以 在组件内从外壳支撑内壳。 一种类型的居中结构有时称作马车轮"agon wheel)。其他居中结构技术需要不锈钢带设置在内壳上，以提供支撑。使 用传统居中结构存在多个问题。 一个问题是，居中结构提供了从外壳传递 到内壳的热通路，从而降低了瓶的效率。使用居中结构的另一问题是，内 壳未被沿着其长度充分支撑。当瓶经受冲击时，可使内壳弯曲，使得在组 件上产生额外应力，且潜在地产生导致真空损失的碎片。真空的损失大大 降低瓶的效率。由冲击和振动产生的另一常见失效是MLI材料的损坏。对 传统MLI充填式杜瓦瓶内的隔热结构的实验表明，重复冲击产生的压縮载 荷使得MLI变形和损坏，结果使得隔热值降低。美国专利1071817、2862106、 2396459提出了使用粒体或粉末作为隔热材料。
需要改进用于高温和低温环境中的隔热技术。

发明内容
本发明的一个方面提供了 一种用于制造隔热件的方法。所述方法包括-提供本体，所述本体中具有腔室；向所述腔室导入多个三维粒体，每个粒
体具有与粒体的外部隔离的辐射反射体组成部分；以及封闭所述腔室，以
将所述多个粒体保持在腔室中。
本发明的另一方面提供了一种隔热件。所述隔热件包括本体，所述本体中具有腔室；设置在所述腔室中的多个三维粒体，每个粒体具有与粒 体的外部隔离的辐射反射体组成部分；以及被封闭的所述腔室，从而将所 述多个粒体保持在腔室中。
本发明的又一方面提供了一种用于制造隔热件的方法。所述方法包括: 将隔热材料设置在有壁空间内，所述有壁空间在管组件中位于第一管和第 二管之间，第一管设置在第二管的孔内；以及分解第一和第二管之间的有 壁空间中的隔热材料，以将材料分布在所述空间内。


当阅读了下面详细的描述和参看了附图时，本发明的其他方面和优点 将变得显而易见，在附图中，相同的元件以相同的附图标记表示，附图包 括
图1示出了传统气凝胶颗粒的示意图2示出了与传统气凝胶颗粒相关的传热通路的示意图3示出了根据本发明的多个方面的粒体的示意图4示出了与根据本发明的多个方面的粒体相关的传热通路的示意图5示出了根据本发明的多个方面的粒体的示意图6示出了根据本发明的多个方面的另一粒体的示意图7示出了根据本发明的多个方面的又一粒体的示意图8示出了根据本发明的多个方面的隔热件的示意图9示出了根据本发明的多个方面的隔热件的示意性侧视图10示出了用于制造根据本发明的多个方面的隔热件的方法的流程
图11示出了根据本发明的多个方面的另一隔热件的示意性侧视图；以
及
图12示出了根据本发明的多个方面的隔热件的另一制造方法的流程图。
具体实施例方式
本公开提供了先进的隔热/热障设计。在此公开的实施例可应用于需要隔热的任何应用场合或工业中。
图1示出了采用球形结构的传统的气凝胶颗粒10。颗粒10由气凝胶中 心12、和用于反射辐射的附加的包裹体(pacifier) /反射体14例如炭黑组 成。这些结构主要用作低温隔热体。气凝胶中心12涂覆有包裹体14，且根 据应用场合或隔热要求被包含在周围环境中或被抽气的壳体内。绝大部分 的反射体是热传导的。图2示出了由涂覆有反射体的气凝胶颗粒10在彼此 接触时所产生的传热通路，当颗粒包含在包封部件(未示出)内以提供隔 热时，也是这种情况。
图3示出了本发明的一个方面。多种组成物用于形成本发明的粒体20。 为了本公开需要，术语"粒体"应理解为包括大致球团体，例如球体、珠、 球状物、液滴状物或其他形式的粒体。如图3所示， 一个粒体20的实施例 被形成具有中心或核22的反射体。本领域的普通技术人员可以理解，如现 有技术中公知的，具有所需性能的任何合适的组成物或化合物均可用于形 成本发明的粒体20。在此公开的实施方式不局限于任何一种特定的组成物 或化合物。例如，反射体核22可使用二氧化钛或其他任何合适的组成物形 成。隔热体24组成部分以层的形式设置在反射体核22的周围。可使用的 隔热体24包括气凝胶和硅石化合物。隔热体24组成部分将反射体组成部 分22与粒体20的外部隔开。如图4所示，对于反射体的热传导，层压有 隔热体24的本发明粒体20提供了减弱的热通路，在没有产生热通路的情 况下增大了可使用的反射体的比例。通过在它们的形成过程中控制粒体20 的形状和尺寸，可改变在粒体彼此接触时形成在它们之间的各个热通路。 例如，与不规则形状的粒体相比，较大尺寸的球形粒体20可在包含粒体的 基体中的粒体之间提供较大的空隙和较大的气孔和间隙，这在制造密封的
隔热件的过程中可产生更好的真空传导。尽管粒体20可以在减小的压力和 环境空气压力实施方式下使用，但提供了增大的空隙和气孔尺寸的较大尺 寸的球形粒体在密封组件内实施时可允许抽吸出更好真空，从而提高了污 染物的去除，进而降低了对流和传导损失。较大尺寸的粒体20通常易于操 作，使得更容易地充填在小空间中。
图5示出了本发明的另一粒体20。在该方面，反射体26组成部分又以 层的形式设置在(图3中的粒体的)隔热体24的周围。可用的反射体26包括炭黑。另一隔热体28组成部分设置在反射体26组成部分的周围，以 形成覆盖层。可用的隔热体28包括气凝胶和硅石化合物。如图5所示，本 发明的粒体20使得反射体22、 26组成部分不与外部接触。因此，反射体 的量不再受经过反射体组成部分之间的接触所产生的热通路的热损失的限 制，这增大了粒体20反射辐射的能力。
图6示出了形成有隔热体24核的粒体20的另一方面的横截面，所述 隔热体24核由反射体22组成部分包围着，且进一步由隔热体28组成部分 覆盖着。形成本发明的粒体20的每一单个组成部分的厚度和分布可根据应 用场合改变，以提供所需性能。粒体20还可通过使用现有技术中公知的任 何方法产生。
图7示出了粒体20的另一方面的横截面，所述粒体20形成有中心或 核22、和覆盖着所述核的密封体29组成部分。核22可包括所希望的组成 部分，例如反射体或隔热材料(例如，气凝胶)。在一个方面，密封体29 组成部分包括在真空下包围着核22设置的玻璃层。密封体29组成部分的 可用组成物包括提供透气阻隔的任何合适物质(例如，玻璃、合成含氟聚 合物(PTFE))。在另外的方面，粒体20也按不同的内部组成部分变化方 式形成(例如，如图5所示)，该内部组成部分由设置在真空下的密封体29 组成部分包封着。在其他方面，粒体20可被抽气或充填有传导性不好的气 体(例如，氙气)，且覆盖有透气阻隔材料。
现请参看图8，示出了本发明的隔热件的实施方式。在这方面，示出了 成矩形盒结构的形式的包封部件本体30，所述包封部件本体30具有有壁空 间或腔室31，该有壁空间或腔室31充填有本发明的粒体20且被密封，以 形成隔热件。包封部件本体30的壁可由任何合适的材料形成，且其尺寸可 根据期望应用场合变化。例如，隔热件的一个实施例可被实施为薄的、半 柔性的板，用作建筑物墙壁隔热物。其他实施例可通过装配有抽气端口 (未 示出)的包封部件本体30实施，以进一步降低隔热件的热传导率。本发明 的粒体20的实施方式不限于使它们与任何特殊类型的器具或壳体一起使 用。例如，在一些方面，可以通过将粒体20设置在软管或波纹管类型的器 具的壁中的方式实施，以便在没有破坏或损坏隔热值的情况下使器具保持 柔性(未示出)。对于需要隔热的液体和气体传送(例如，用于传送液化天然气的缆)来说，这种实施方式是理想的。
图9示出了本发明的另一方面。示出了另一隔热件32的侧视图，所述 隔热件32被实施为双壁管状本体，所述双壁管状本体包括设置在外管34 内的细长内管33,以形成具有中心孔36或有效载荷区域的结构。管壁之间 的腔室空间38充填有本发明的粒体20。管33、 34由任何合适的材料(例 如，金属)形成，且敞开端可通过现有技术中公知的任何方法(例如，焊 接、胶粘、螺纹帽等)密封或封盖。 一个方面是，可实施有可选的抽气端 口39，以便需要时降低环形空间38内的压力。如上所述，粒体20所具有 的几何形状和尺寸的一致性沿包封部件本体提供了一致的隔热密度。该一 致性确保了具有因密度变化和较好的气体(真空)传导性所引起的热点很 少。这些作用共同提供了具有改善的热阻的隔热件，同时在本体的整个长 度上保持对内管33的机械支撑，从而使包封部件在高的冲击和振动环境中 表现更好。
在另一方面，图9的隔热件32也可通过将粒体20设置在孔36内(在 插入有效载荷之后)以充填孔内的残余空隙的方式实施(未示出)。在另一 方面，可在内管33插入外管34之前使内管33自身包括用于管(充填粒体 或没有充填粒体)的抽气的抽气端口 (未示出)。在另一方面，管壁之间的 腔室空间38和/或内孔36可注入气体，以提供附加热阻。根据隔热件32 的应用场合，可用气体包括氙气、氩气和其他气体。在又一方面，假如保 持了足够的热值，其他材料(例如，聚氨酯泡沫)也可设置在腔室空间38 内，以进一步压縮粒体。
图IO示出了用于制造本发明的隔热件的方法的流程图。在一方面，方 法100包括提供具有腔室的本体的步骤105。在步骤110，如在此所公开 的那样，然后将多个三维粒体导入到本体腔室。然后，在步骤115，腔室封 闭，以将多个粒体保持在其中。如果需要，另外的步骤可包括在此公开的 任何方面，例如，腔室的抽气，利用传导性不好的气体充填腔室，等等。
图11示出了本发明的另一方面的侧视图，该方面包括通过将隔热材料 40设置在第一内管42与第二外管44之间的环形空间41中的方式实施的隔 热件，第一内管42容纳在第二外管44的孔内，结构上这类似于图9的结 构。市场上可获得的隔热材料(例如，气凝胶，硅化合物、气相二氧化硅)可用于实施管状隔热组件46。根据期望的应用场合，管42、 44可由任何合 适的材料形成。对于要用于地下环境的实施例，优选金属管。隔热件的实 施例可实施有任选的抽气端口 48，以在需要时降低管42、 44之间的有壁空 间中的压力。尽管隔热件可以这种方式使用以对放置在内管42的孔50或 有效载荷区域内的物体实施隔热，但如下所述，在本发明的另一方面，另 外的益处可通过使用隔热组件46获得。
图12示出了用于制造本发明的隔热件的方法的流程图。在一方面，在 步骤205，方法200通过将隔热材料设置在管组件中的位于第一管与第二管 之间的有壁环形空间内制造隔热件，其中第一管设置在第二管的孔内(类 似于图11的组件46)。可使用市场上可获得的隔热材料例如气相二氧化硅 材料。在一方面，成片或条的形式的隔热材料可环绕着第一管，如图11中 的管42，的外部包裹。然后将包裹有隔热材料的管插入第二管(例如，图 11中的管44)的孔内，以形成组件。隔热材料可以以一个或多个部分包裹 着第一管，使得具有足够的圈数环绕着管，但仍允许包裹的管插入较大直 径的第二管的孔内。具有易碎/易破的结构的隔热材料(例如，硅化合物) 可用于所述过程的多个方面。然而，对这种材料的处理需要一定的细心程 度。 一方面，可使用玻璃纤维网实施，以在插入内管的过程中将包裹的隔 热材料保持在位。这种网可保留在组件内，以提供期望的隔热性能。其他 实施方式可使用粘合剂、带或其他措施，以在将包裹的内管插入外管的过 程中对隔热材料提供附加支撑和保护。其他实施方式也可通过使用预成型 的环形隔热结构(未示出)实现，所述结构可滑动到内管上或作为多个部
分环绕着内管装配。
在步骤210，隔热材料可在第一和第二管之间的有壁空间内被分解并分 布其中。管组件的开口端可通过现有技术中公知的任何方法(例如，焊接、 胶粘、螺纹帽等)被封闭或封盖，以将隔热材料封装到有壁区域内。需要 时，经由排气端口 48对管之间的空间进行排气的可选步骤可在封闭组件之 后进行。如果玻璃纤维网如上所述地用于组件中，则该网可增大气体/真空 传导。在该过程的多个方面，某些隔热材料的使用使得更容易地对管之间 的有壁腔室进行抽气。在一方面，整个封闭的管组件经受强度足够大的冲 击和振动，以分解包括在管之间的空间中的隔热材料。分解隔热材料的上述模式可通过将组件放置在试验装置中执行，所述试验装置被设计成产生 受控的冲击和振动动作。如果需要，在冲击所述组件之后，可执行另外的 抽气步骤。如果玻璃纤维网如上所述地用于组件中，则网可被分解成非传 导性材料，且使得在抽气过程中增大气体传导。在另一方面，在组件已被 冲击之后，另外的隔热材料可设置在有壁区域内以充填任何剩余空间，且 重复冲击/抽气步骤。
图12的过程的另一方面通过在管组件的组装过程中部分地或完全使隔 热材料流化执行。为了本公开的目的，术语"流化"应理解包括通过使用 外部激励(例如，通过振动、电磁场、气流等)制造类似流体的大量固体 颗粒(即，气相二氧化硅粉末)。通过使隔热材料例如气相二氧化硅粉末流 化，它可变得类似于流体，且此时可灌注在所需的腔室空间中。在没有流 化的情况下，成粉末形式的隔热材料非常难以灌注/嵌到窄或有限的区域 中。流化可通过使用现有技术中公知的任何方法实现。在一方面，松散的 隔热材料灌注到外管(例如，图11中的管44)中，且该材料通过向外管施 加振动(未示出)而被流化。内管(例如，管42)然后被向下推入流化床 中，使得材料留在组件的环形区域中。另一方面可在隔热材料设置在环形 区域中时通过移动(例如，转动或振动)任一管或两个管实施。在另一方 面，上述冲击技术可与流化技术组合，以将隔热材料设置在管组件内(未 示出)。在另一方面，当组件被构造时，隔热材料可被碾碎和设置到管之间 的环形空间中(未示出)。另一方面可在管装配到一起时通过将隔热材料填 塞或填注到(例如，使用填注管)环形空间中执行(未示出)。当使用某些 类型的隔热材料(例如，致密压縮的硅片)时，该技术可能更为合适。本 领域的普通技术人员可以理解，其他合适的技术或方法可用于装载或分解 间隔开的区域内的隔热材料，以产生公开的隔热组件。该过程的多个方面 也可包括如上所述地将气体注入到环形空间41和/或孔50内。
公开的分解过程相对于传统的填充MLI的杜瓦组件具有多个优点。隔 热材料的分解产生成碎片或粉末类型的材料，该材料沿着组件的长度提供 了隔热的高度均匀分布和机械支撑，使得单元在高的冲击和振动环境中经 受住考验且可运行。不再需要支撑内管的另外的居中结构。
尽管本公开描述了本发明的特殊方面，但本领域的普通技术人员在研究了本公开之后可想到多种修改和变化，包括使用在此描述的元件的等效 功能和/结构替换物。例如，可以理解，本发明的隔热件/包封部件的表面可 利用材料(例如，银)抛光或磨光，以影响它们的反射性能。也可以理解， 尽管针对地下实施例公开了多个方面，但公开的本发明所提供的优点(例 如，改进的机械完整性、轻的重量、较高的效率、真空和环境空气压力应 用)使得它适用于其他应用场合例如太空旅行工具、水下实施例、建筑物 建造、发电等。本领域普通技术人员显见的所有这些类似变型被认为处于 权利要求书限定的本发明范围内。
权利要求
1. 一种用于制造隔热件的方法，包括a)提供本体，所述本体中具有腔室；b)向所述腔室导入多个三维粒体，每个粒体具有与粒体的外部隔离的辐射反射体组成部分；以及c)封闭所述腔室，以将所述多个粒体保持在所述腔室中。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括降低容纳有多个 粒体的所述腔室内的压力。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，每个粒体包括包围着辐射 反射体组成部分的隔热体组成部分。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个粒体包括气凝胶组成 部分。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，至少一个粒体具有减小的 内部压力或包括气体，且包括提供气体阻隔的层。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述本体包括双壁圆柱形 包封部件，所述包封部件形成有敞开的孔，且在壁之间具有腔室空间，以 在腔室空间中接收导入的多个粒体。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，它还包括将多个粒体设置 在所述孔内。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，它还包括向所述腔室注入 气体。
9. 一种隔热件，包括 本体，所述本体中具有腔室；设置在所述腔室中的多个三维粒体，每个粒体具有与粒体的外部隔离 的辐射反射体组成部分；以及被封闭的所述腔室，从而将所述多个粒体保持在所述腔室中。
10. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，容纳有多个粒体的腔室 中的压力被降低。
11. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，每个粒体包括包围着辐 射反射体组成部分的隔热体组成部分。
12. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，每个粒体包括气凝胶组 成部分。
13. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，至少一个粒体具有减小 的内部压力或包括气体，且包括提供气体阻隔的层。
14. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，所述本体包括双壁圆柱 形包封部件，所述包封部件形成有敞开的孔，且在壁之间具有腔室空间， 以在腔室空间中接收导入的多个粒体。
15. 如权利要求14所述的隔热件，其特征在于，所述孔包括设置在其 中的多个粒体。
16. 如权利要求9所述的隔热件，其特征在于，所述腔室空间包括注入 其中的气体。
17. —种用于制造隔热件的方法，包括a)将隔热材料设置在有壁空间内，所述有壁空间在管组件中位于第一管和第二管之间，第一管位于第二管的孔内；b)分解第一和第二管之间的有壁空间中的隔热材料，以将材料分布在 所述空间内。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，它包括冲击所述管组件， 以分解隔热材料。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，它包括使隔热材料流化。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，它还包括降低第一管和 第二管之间的有壁空间内的压力。
全文摘要
一种用于制造隔热件的方法包括提供本体，所述本体中具有腔室；向所述腔室导入多个三维粒体，每个粒体具有与粒体的外部隔离的辐射反射体组成部分；以及封闭所述腔室，以将所述多个粒体保持在腔室中。一种用于制造隔热件的方法包括装载和分解有壁空间中的隔热材料，所述有壁空间位于第一管和第二管之间，第一管位于第二管内。
文档编号F16L59/08GK101413619SQ20081012931
公开日2009年4月22日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年6月29日
发明者C·奥莫盖尔, J·科里 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司