专利名称：保温材料,使用该材料的电加热单元,及其制备方法
技术领域：
本发明涉及保温材料和在加热装置例如各种工业炉和实验炉中的使用该材料的电加热单元，及其制备方法。
真空成型的陶瓷纤维保温材料具有高的保温性能，重量轻，并且可以制成任意形状。而且，这种保温材料具有足够的强度并容易操作；二次机械加工也容易。这种材料已被用来有效改善炉墙热能损失。使用这种保温材料的电加热单元也是已知的。例如，US 3500444公开了一种通过在这种保温材料的浅表面上镶嵌加热元件来经济地制造电加热单元的技术。还有，US 4575619公开了一种带凹槽的电加热单元，包括一个蛇形加热元件，具有改善的热辐射特性。
这些电加热单元的优点在于，它们可制成任意形状，并且它们具有如制成它们的上述保温材料本身一样的优异保温性能。而且，它们的优点还在于具有足够的机械强度，可以单独用它们建造炉墙。因此，因为以适当的组合方式使用这些电加热单元可以容易地装配成炉子，结果可以大大降低建造炉子的工作量，并因此大大降低节能炉的成本。
然而，由于越来越注意全球环境问题，工业领域对于降低环境负荷方面的要求越来越严格。这些环境问题已变得很明显，而它们的影响是所有人所面临的问题。因此制造具有更高热效率的炉子是一项重要的任务。
同时，对改善保温性能永不满足的追求已将人们的注意力引导到微孔材料例如二氧化硅气溶胶的性能上，特别是具有比气体的平均自由路径小的微小封闭空隙的微球结构的二氧化硅气溶胶。这样，开发出所谓的微孔保温材料，它具有终极的保温性能，即能够从理论上消除在保温材料孔隙间的对流热传递。
相关的技术还包括US 3869334，该专利公开了如何通过将二氧化硅气溶胶装入一个玻璃纤维布制成的袋子中，并将其压制成平板形状，来获得高性能的保温材料，该材料可以作为普通的保温材料来使用。已知其保温性能比真空成型陶瓷纤维的保温性能好得多。随着制造技术的进步，因为通过向气溶胶中混合进难熔的纤维材料等来代替将其装入上述的袋子中，提高了其强度，最近直接成型制成板材的二氧化硅气溶胶也可以得到。
由于二氧化硅气溶胶作为构造单元的结构特点，特别是中空的微球壳形结构，这些可以获得的包括二氧化硅气溶胶等的微孔保温材料的强度本质上是低的。而且，可以得到的厚度也是有限制的，所以不可能用这些材料单独建造炉墙。因此这些材料作为保温材料在炉子上使用，仅能用作补充材料或衬里材料的中间层。尽管这样使用可以确保能量不损失，但这种用法的问题在于增加了建造炉子的工作量，从而增加了成本。还有，特别是以平板形式使用时，这些材料在建造过程中容易损坏或破碎，浪费了非常昂贵的材料。
本发明的目的是解决上述传统技术方法中的问题。因此本发明的目的是提供一种高性能的保温材料，它与传统的陶瓷纤维成型的保温材料相比，可以大大降低从炉墙的热能损失，它可以用简单并且便宜的方法制造，并且它具有足够的机械强度来单独建造炉墙，容易安装，减少了建造炉子的工作量；提供使用该材料的电加热单元；及提供其制造方法。
本发明涉及的保温材料是这样一种保温材料，包括一个主要包括难熔的无机纤维的外层和包括在该外层内并与该外层结合的芯层。该外层具有比芯层更大的机械强度；该芯层包括保温性能比外层的保温性能更高的组合物。芯层沿基本上与保温材料厚度方向垂直的平面延伸。
采用本发明的结构，由主要包括难熔的无机纤维的高强度组合物构成外层。保温材料依靠这一层获得足够的强度，具有较高保温性能的芯层完全包容在其内部并被其保护。因为芯层沿基本上与热流方向垂直的平面延伸，且结合到外层内并被外层所支持，所述保温材料之保温性能比仅包括构成外层的组合物的保温材料之保温性能优异。因此，由于优异的保温性能与足以建造炉墙的机械强度的结合，这种保温材料可以单独建造具有非常好的保温性能的炉墙。
在本发明的保温材料中，所述芯层优选包括一种本质上是微孔的保温材料。由此得到一种具有高强度，并且保温性能比传统材料大得多的保温材料；这种材料可以单独建造保温性能比传统炉墙明显高的炉墙。
在此，微孔保温材料是指，包括基本百分数的微孔材料例如二氧化硅气溶胶，该百分数使得由微孔而派生出来的性质能够完全反映出来的保温材料。例如，所述保温材料可以包括50％(重量)或更多的微孔材料，及其余组成材料例如补强剂、遮光剂和粘合剂等。另外，在此所给出的数值50％(重量)，仅是用来举例说明，本发明不限于此。本发明还可以包括包装在所述玻璃纤维袋中的微孔材料，或以平板形式提供的成型微孔材料。
本发明涉及的电加热单元包括支撑加热元件的保温材料，至少部分加热元件嵌入到外层的浅表面上，用来向加热元件提供电能的终端从其对面突出出来。所述保温材料包括一个主要包括难熔的无机纤维的外层，和结合到该外层并保持在该外层内的芯层。所述外层具有比所述芯层更大的机械强度，而芯层包括保温性能比外层更好的组合物；芯层沿基本上与保温材料厚度方向垂直的平面延伸。
以这种方式，主要由难熔的无机纤维组成的高强度组合物成为外层，它完全包容并保护具有比该外层更好的保温性能的芯层。这样提供给所述保温材料足够的强度。而且，所述芯层沿基本上与热流方向垂直的平面延伸，且为外层内部所支撑；因此整个保温材料的保温性能优于形成外层的组合物的保温性能。
另外，所述加热元件和用来向该加热元件提供电力的终端，分别至少部分嵌入所述保温材料的外层的浅表面和其对面，由此足够牢固地固定在那。结果，所述加热单元可以单独建造具有内置式加热元件的高保温炉墙。
在本发明涉及的电加热单元中，芯层优选基本上由微孔保温材料组成。由此得到具有明显好的保温性能的电加热单元。
在本发明涉及的电加热单元中，有时在外层的一个表面上形成一个或多个凹槽，并且至少部分加热元件嵌入到该凹槽底部附近，并因此被支撑。在这种情况下，得到具有优异的热辐射性能及保温性能的电加热单元。
用于制造本发明涉及的保温材料的方法按照如下方式制造保温材料在压力下堆砌起预定厚度的主要包括难熔的无机纤维的第一保温层；在该沉积表面上涂覆并布置一个芯层，该芯层主要包括保温性能优于第一保温层的组合物，并且该芯层的表面小于第一层的沉积表面积；然后在压力下堆砌起主要包括难熔的无机纤维的第二保温层，以便在预定位置完全包裹住芯层。
由此可以制造一种保温材料，其中具有高保温性能的芯层被包容在高强度的外层内，并且该芯层分布在一个基本上与保温材料的厚度方向垂直的平面内，并在指定位置支撑在和结合到所述外层上。这种保温材料具有足够的机械强度来单独建造炉墙，且具有优异的保温性能。
在制造本发明涉及的保温材料的方法中，优选采用真空成型技术构建第一和第二保温层。由此可以容易地将该材料低成本高质量地制造成任何需要的形状。
在制造本发明涉及的保温材料的方法中，主要的粘合剂优选是无机胶质二氧化硅。由此可以容易地制造具有足够的耐热性和在从常温到高温下具有足够的强度的保温材料和电加热单元。
在制造本发明涉及的保温材料的方法中，优选使用含水浆液。这样，制备方法容易，并且制备过程中没有特殊的废溶液需要处理，从而可以降低制造成本。
在制造本发明涉及的保温材料的方法中，在第一和第二保温层是由其中分散着难熔的无机纤维的含水浆液制成的情况下，优选在基本上由微孔保温材料组成的芯层周围有一个防水膜。由此可以防止微孔保温材料在制造过程中与水接触；这样防止损害构成微孔保温材料的气溶胶结构，并保持优异的保温性能。
覆盖芯层的防水膜可以是受热时可消失的类型，或者相反，可以是耐热的。
在前者情况下，当不再需要防水膜时，例如在成型后，在经过了最终的干燥阶段后，所述膜可以通过加热容易地除去。在后者情况下，所述膜可以保留在制品内而不必另外改变，并且可以经受住在高温下使用。
按照已知的技术，第一和第二保温层可以是同样的材料，或者可以是不同的，依基于对每一层的耐热性的要求而做的选择而定。
制造电加热单元的方法是这样一种方法，其中修改前述的制造保温材料的方法，使其包括将加热元件放置在指定位置，堆砌第一保温层，并在第一保温层的浅表面处指定位置嵌入至少部分加热元件的步骤。
采用这种结构，可以制造一种具有内置式加热元件、并具有用来单独建造炉墙的足够的强度，并具有优异保温性能的电加热单元。
而且，可以使用任何已知的加热元件，并且它们嵌入方式没有影响。
附
图1概略显示了本发明涉及的保温材料；附图2概略显示了制造本发明涉及的保温材料的方法；该图是堆砌第一保温层的时候；附图3概略显示了制造本发明涉及的保温材料的方法；该图是堆砌第二保温层的时候；附图4是一个截面图，说明本发明涉及的电加热单元；附图5概略显示了制造本发明涉及的电加热单元的方法；该图是堆砌第一保温层的时候；附图6概略显示了制造本发明涉及的电加热单元的方法；该图是堆砌第二保温层的时候；附图7是本发明涉及的电加热单元的另一实施方案的截面图。
下面参考附图解释本发明的优选实施方案。在此所展示的附图是近似图；各部分的相对大小是不准确的，不能作为实际应用中的参考。第一实施方案附图1显示了本发明的保温材料1的一个实施方案。
所述保温材料1包括一个外层2和一个芯层3；芯层3嵌入在外层内。
芯层3的表面在xy平面延伸，该平面基本上垂直于保温材料1的厚度方向(在附图中的z方向)，即保温材料在使用时热量流动的方向。
外层2是一个沉积层，主要包括陶瓷纤维，它使用无机粘合剂通过真空成型而得到。同时，芯层3是一种可以商业上获得的微孔保温材料板。
在这种情况下，芯层3具有比外层2好得多的保温性能。外层2具有足够的机械强度并保护芯层3，并保证保温材料1作为一个整体的强度。因此，该保温材料可以单独使用来建造炉墙。
所述微孔保温材料可以以保温板的形式得到，10-50mm厚，堆积比重0.2-0.5，主要包括二氧化硅气溶胶。这构成芯层3。外层2可以使用已知的真空成型方法，由浆液堆砌而成，该浆液可通过将商业获得的铝硅酸盐松散陶瓷纤维分散在水中并向其中加入胶质二氧化硅粘合剂制备。外层2的堆积比重约为0.2。由此通过用外层2完全包围并结合芯层3，可以制成一种保温材料。在真空成型前，将所述芯层事先放入一个塑料袋中并密封，以防止芯层接触水。这构成防水膜4。如果二氧化硅气溶胶与水接触，由于在干燥过程中产生的张力的作用，微孔结构将被破坏；结果无法得到需要的保温效果。
参考附图2和3，解释制造所述保温材料的方法的过程。在下列说明中，经过真空成型的材料被称为保温层；已经完全成型并且随后经过干燥和硬化的材料被称为保温材料。
如附图2所示，采用真空成型方法，在模子5内，堆砌起预定厚度的第一保温层2a。在这时，吸力，具体而言是真空吸力，仅作用于底筛5a上。这成为外层2的一部分。该层堆砌厚度通常为15-80mm。然后，在大小比第一保温层2a的沉积表面略小一点的芯层3的表面上覆盖上一个防水膜4。将该芯层3放置在沉积面的一个指定位置上，并且如附图3所示，仍采用真空成型方法，制成一个指定厚度的第二保温层2b。在这时，除底筛5a外还使用一个侧筛5b；通过这两个筛子施加吸力。在此堆砌厚度通常是80-15mm。这成为外层2的另一部分，并且将所有这些，即第一保温层2a，芯层3和第二保温层2b，压缩在一起形成保温材料1。真空成型方法本身和随后的过程，是本领域普通技术人员已知的，但是这些将在下面进行一般的讨论。
真空成型的原理是，吸力使浆液流向模子中的筛网5a，5b，而筛网5a，5b滤出纤维组分，该组分堆砌起来并压紧在模子5的表面上。滤液循环使用。在浆液流过筛网5a，5b的过程中，形成了保温材料1的大致形状。当然地，外形是由所使用的模子的形状决定的。
另外，模子5有一个可移动的顶板5c。在顶板5c的中间有一个开孔，并且顶板5c可以调节在真空成型过程中堆砌起来的保温层的上表面的边的形状。
从模子5中取出后，将所述沉积起来的保温层在烘箱中干燥。干燥后，由于粘合剂的作用，该外层获得足够的强度。
然后，将所述外形切削成最终形状。在最终的机械加工中产生的新的表面再次浸泡在一种粘合剂溶液中，然后再次干燥并硬化。
利用上述方法，可以容易地，并且便宜地制造保温材料1，它具有优异的保温性能，及可以单独建造炉墙的足够的强度。
因为目的是防止芯层3在上述成型过程中与湿气接触，所以在大部分湿气在最后的干燥工艺中从保温材料中除去后，可以除去作为防水膜4使用的塑料袋。在干燥结束后，通过提高温度，可以接着经济地除去防水膜4。
本发明人做了比较试验来证实本发明的效果。
分别使用本发明的芯层为厚25mm，堆积比重0.3的二氧化硅气溶胶板的保温材料，和另外真空成型的包括传统陶瓷纤维的保温材料，各自建造一个炉墙。炉子的工作内温为1000℃。在炉子达到稳定状态后测量表面温度，从测量结果计算热量损失。试验用的炉墙厚度分别为100mm和125mm。表1和表2列出了结果。
表1.炉墙厚度100mm
表2.炉墙厚度125mm
如这些结果所清楚表明的那样，无论保温层的厚度和芯层所嵌入的位置即在结构中第一和第二层的比例如何，本发明保温材料在保温性能方面，比传统保温材料提高25-30％。因此，改变芯层与外层的比例，采用本发明甚至可以获得更好的保温性能。第二实施方案附图4显示了本发明涉及的电加热单元。
加热线圈8a嵌入到垂直于保温材料1的厚度方向的浅表面7a。保温材料1保护了这些加热线圈8a，并构成电加热单元6。还有，用来向加热线圈8a提供电力的终端8b，其从保温材料1的厚度方向相对的面7b伸出。
电加热单元6的保温材料1具有第一实施方案的同样结构，包括外层2和芯层3。在此，加热线圈8a和终端8b都位于电加热单元6的保温层的外层2，并被其保护。采用这种结构，本发明涉及的电加热单元6具有足够的机械强度来单独建造炉墙，并具有如第一实施方案中所说明的同样保温性能。结果，使用这种电加热单元6，可以单独建造具有优异的保温性能和内置式加热元件的炉墙。
这种电加热单元6也采用真空成型方法制造。这一点参考附图5和6概述如下。
如附图5所示，将加热线圈8a和终端8b放在模子5内需要的位置，并堆砌第一保温层2a到预定厚度。这时，第一保温层2a的厚度大于加热线圈8a的厚度。这形成基本的结构，其中第一保温层2a支撑加热线圈8a。
然后遵照第一实施方案中的方法进行，但是如附图6所示，在这些工序的最后，在堆砌起第二保温层2b时，将终端8b部分嵌入到第二保温层2b中。这形成基本的结构，其中第二保温层2b支撑终端8b。然后严格按照第一实施方案中的同样方法进行。采用这种方法，可以有效而便宜地制造电加热单元6。
至少部分嵌入到第一保温层2a中的加热元件的形状，可以是压缩线圈，蛇形，或其它形状，及前述的圆形线圈形状。第三实施方案本实施方案优选具有附图7所示的形式。在本实施方案中，在第一保温层2a中形成凹槽9，将蛇形加热元件10放置在该凹槽9的底部附近，并且将一个构成底部的元件11镶嵌在凹槽9的底部，在所述加热元件下方。这种结构的细节示于US 5847368。安装构成底部的元件11，有助于防止蛇形加热元件10被埋藏在保温层2a中。暴露的蛇形加热元件10可以制得尽可能地大。还可以改性构成底部的元件11，使其包括微孔保温材料。如果是这样，加热元件后面的保温性能进一步提高，并可以制造出具有更好的辐射特性和保温特性的电加热单元。
另外，上面所说明的实施例是平板形的保温材料和电加热单元，但是其它形状的产品，例如具有部分圆柱形或球形表面的产品，也可以采用上述的同样方法制造。
上面所述的实施方案使用铝硅酸盐陶瓷纤维作为难熔的无机纤维，构成外层2的主要成分，但是也可以使用其它类型的陶瓷纤维。而且，真空成型后，外层2的堆积比重不限于实施方案中所说明的。例如，通过调节纤维的长度，可能改变堆积比重。还有，除纤维外，也可以使用其它填料，这不影响本发明的范围。
除在本实施方案中用作芯层3的微孔保温材料外，还可以使用其它微孔保温材料。例如，一种压缩在一种柔性的，耐热布袋中的二氧化硅气溶胶保温材料，商品名为‘Microtherm’(由MicroporeInternational Ltd.获得)，也可以用作芯层3。也可以得到事先经过疏水处理的材料，并可以用作芯层3。
另外，芯层3不必须是微孔保温材料，也可以使用其它具有同样或更好保温性能的材料。如果开发出任何比微孔保温材料更好的材料，没有理由不使用那种材料。
现在可以获得耐热性高达1000-1200℃的微孔保温材料。其保温性能比其它由传统陶瓷纤维真空成型得到的保温材料的保温性能好2-3倍。但是，这不意味着1000℃以上的耐热性和好2-3倍的保温性能是必须的。达到这种水平的材料用作本发明的保温材料1的芯层3时，在实际中是有效的。
在此，允许使用具有更好保温性能的材料。芯层3的更高的保温性能，必然使本发明的保温材料1和电加热单元6具有更好的保温性能。不必限制本发明只有一个芯层3，也可以采用多层。
基于本公开内容，在本发明范围内的，在此没有讨论的其它各种改进也是可能的。
本发明的保温材料有足够的强度来单独建造整个炉墙保温层，容易操作，并且具有特别好的保温性能。由于这些原因，本发明简化了炉子的建造工作，并且可以大大降低炉子建设成本。而且，由于本发明的优异的节能效果，本发明对于减少全球环境负荷可以做出很大的贡献。
除前述保温材料的所有效果外，本发明的电加热单元可以单独建造具有内置式加热元件的炉墙。由于这些原因，本发明可以进一步简化炉子的建造工作，并且降低炉子建设成本。
采用本发明的制造方法，可以容易地，并且低成本地制造这种高性能的保温材料和电加热单元。
权利要求
1.一种保温材料，包括一个主要包括难熔的无机纤维的外层，和被支撑在该外层内并与该外层结合的芯层；其中所述外层具有比所述芯层更大的机械强度，所述芯层包括保温性能比所述外层保温性能更大的组合物，并且所述芯层分布在基本上与所述保温材料的厚度方向垂直的平面上。
2.权利要求1的保温材料，其中所述芯层包括微孔保温材料。
3.一种电加热单元，包括至少部分嵌入到权利要求1或2的保温材料外层的浅表面上的加热元件，使加热元件被该保温材料支撑并与之结合；以及从所述保温材料的相对一面伸出的用来向加热元件提供电能的终端。
4.一种电加热单元，其中在外层的一个表面上形成一个或多个凹槽，并且至少部分加热元件被嵌入到该凹槽的底部，与之结合并被其支撑。
5.一种制造保温材料的方法，包括如下步骤在压力下堆砌起预定厚度的主要包括难熔的无机纤维的第一保温层；在所述沉积表面上布置一个芯层，该芯层包括保温性能优于所述第一保温层的组合物，并且该芯层的尺寸小于第一层的沉积表面；和在压力下堆砌起主要包括难熔的无机纤维的第二保温层，以便使芯层完全被包容并固定在其内部指定位置。
6.权利要求5的制造保温材料的方法，其中采用真空成型方法堆砌起第一和第二保温层。
7.权利要求5或6的制造保温材料的方法，其中主要的粘合剂组分是无机胶质二氧化硅。
8.权利要求5-7的制造保温材料的方法，其中使用难熔的无机纤维分散在其中的含水浆液制备第一和第二保温层。
9.权利要求5-8的制造保温材料的方法，其中在使用防水膜覆盖芯层，特别是包括微孔保温材料的芯层后，再进行真空成型。
10.一种制造电加热单元的方法，包括下列步骤在权利要求5-9的制造保温材料的方法中，将加热元件放置在指定位置，堆砌第一保温层，使加热元件至少部分嵌入到第一保温层的浅表面的指定位置处。
全文摘要
本发明提供一种具有优异的保温性能及可用来单独建筑炉墙的足够的机械强度的保温材料,并且其制造和安装方法容易,结果降低了建设炉子的工作成本。本发明还包括一种电加热单元及其制造方法。保温材料1包括一个主要包括难熔的无机纤维的外层2,和支撑在外层2内的芯层3。外层2具有比芯层3更大的机械强度。芯层3包括保温性能比外层2保温性能更好的组合物,并且芯层分布在一个基本上与保温材料1的厚度方向垂直的平面上。
文档编号F27D1/00GK1276291SQ99127199
公开日2000年12月13日 申请日期1999年12月29日 优先权日1999年6月8日
发明者北村晃一, 上田政昭, 花谷祐行 申请人:光洋热系统株式会社