爐具隔熱組件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及爐具隔熱組件。爐具隔熱組件包括具有大致U形橫截面的主體。主體包括一對(duì)側(cè)壁。一對(duì)端板緊固到主體的相對(duì)的端。端板和主體形成內(nèi)室。端板和側(cè)壁由碳纖維形成的絕熱材料制成，各個(gè)端板和側(cè)壁中的所述碳纖維定向成逆向紋理方向向內(nèi)指向內(nèi)室。
【專(zhuān)利說(shuō)明】爐具隔熱組件

【背景技術(shù)】
[0001]目前，基于碳纖維的材料在許多應(yīng)用中用作隔熱材料。它們非常適用于需要高溫 來(lái)在結(jié)晶之前熔化硅基底材料的太陽(yáng)能應(yīng)用。具體用于線帶狀硅爐的現(xiàn)有技術(shù)的碳纖維隔 熱組件由單塊碳纖維制成，單塊碳纖維裝有芯以形成內(nèi)容積。
[0002] 本領(lǐng)域中需要用于硅爐具的改善的隔熱組件，且具體是用于線帶狀硅爐的隔熱組 件。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，爐具隔熱組件包括具有大致U形橫截面的主體。主 體包括一對(duì)側(cè)壁。一對(duì)端板緊固到主體的相對(duì)的端。端板和主體形成內(nèi)室。端板和側(cè)壁由 碳纖維形成的絕熱材料制成，各個(gè)端板和側(cè)壁中的所述碳纖維定向成平行于順紋平面且垂 直于逆紋方向。端板和側(cè)壁的逆紋方向向內(nèi)指向內(nèi)室。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0004] 圖1為爐具隔熱組件的等距視圖；
[0005] 圖2為圖1中的爐具隔熱組件的頂視圖；
[0006] 圖3為圖1中的爐具隔熱組件的側(cè)視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0007] 這里在下文中描述適于在爐具隔熱組件中使用的自支承絕熱材料。例如，絕熱材 料可通過(guò)將加強(qiáng)材料如碳化纖維與液體粘合劑如糖溶液混合來(lái)形成。加強(qiáng)材料包括單獨(dú)的 或與其它碳化或可碳化的材料結(jié)合的碳纖維。在一個(gè)實(shí)施例中，纖維包括單獨(dú)的或與其它 碳纖維結(jié)合的基于各向同性浙青的碳纖維。在一個(gè)實(shí)施例中，至少80%的碳纖維為各向同 性浙青碳纖維。在另一個(gè)實(shí)施例中，至少95%的碳纖維為各向同性浙青碳纖維。在又一個(gè) 實(shí)施例中，碳纖維重量的100%都源于各向同性浙青。在另一個(gè)實(shí)施例中，碳纖維可為基于 中間相浙青的碳纖維。在又一個(gè)實(shí)施例中，碳纖維可為碳化的人造絲纖維。在又一個(gè)實(shí)施 例中，碳纖維可為碳化的PAN纖維。在又一個(gè)實(shí)施例中，隔熱材料可包括兩個(gè)或多個(gè)不同類(lèi) 型的碳纖維。
[0008] 作為較大的片或板或類(lèi)似的剛性隔熱產(chǎn)品的根據(jù)本方法的由碳纖維形成的隔熱 材料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出足夠的強(qiáng)度和隔熱性能來(lái)使它們非常適于高溫爐具。
[0009] 如本文使用的術(shù)語(yǔ)〃纖維〃旨在涵蓋具有一定長(zhǎng)度的所有伸長(zhǎng)含碳加強(qiáng)材料，該 長(zhǎng)度為纖維直徑的至少二十倍，更優(yōu)選至少1〇〇倍（通常稱(chēng)為長(zhǎng)寬比）。碳纖維優(yōu)選具有等 于或大于20:1的長(zhǎng)寬比，更優(yōu)選是大于100:1，從約2mm至30mm的長(zhǎng)度，以及約5微米至 15微米的直徑。
[0010] 纖維與液體粘合劑結(jié)合，液體粘合劑在后續(xù)處理階段將纖維保持在一起。優(yōu)選的 粘合劑包括可溶性糖的水溶液，如，單糖或二糖。示例性糖包括蔗糖、果糖、葡萄糖、麥芽糖、 甘露葡萄糖、半乳糖、UDP-半乳糖和木糖、它們的可溶多糖等同物及它們的結(jié)合。
[0011] 粘合劑溶液和纖維以約1〇至40重量份的粘合劑溶液與約60至40份纖維的比率 混合在一起。就糖（即，不包括水）而言，優(yōu)選的比率為從20%至80%重量的糖對(duì)比80%至 20%重量的纖維，最優(yōu)選為約40%重量的糖對(duì)比60%重量的纖維。對(duì)于具有約35%的碳產(chǎn) 量的蔗糖，該比率導(dǎo)致產(chǎn)品（在這里在下文所述的烘烤之后）按重量具有約14%的碳化糖 和86%的纖維。作為優(yōu)選，產(chǎn)品的碳化糖含量按重量在約10%和約20%之間。如果碳化糖 過(guò)低，則最終產(chǎn)品的完整性可能受損。當(dāng)碳化糖的濃度增大時(shí)，密度趨于增大，從而提高了 材料的熱導(dǎo)率，且使其不太適合絕熱應(yīng)用。
[0012] 在這里的下文中所述的爐具隔熱組件中使用的隔熱材料的纖維不是任意排列的， 而是在各個(gè)隔熱組件中大致任意地布置成平行于順紋平面（即，垂直于逆紋方向）。纖維 的至少百分之60、更有利的是百分之80且甚至更有利的是百分之90大致平行于順紋平 面。該纖維排列可通過(guò)例如將纖維和粘合劑的混合物倒入模型或模具中且重力或真空源移 除過(guò)多的粘合劑來(lái)完成，模型或模具在一端處配備有過(guò)濾器。以此方式，纖維累積在過(guò)濾器 上，且當(dāng)實(shí)現(xiàn)期望厚度時(shí)，纖維和剩余粘合劑作為預(yù)型件移除。
[0013] 對(duì)于高密度產(chǎn)品，在過(guò)濾期間或在隨后的加熱步驟期間，較輕的壓力可施加到預(yù) 型件上，盡管過(guò)大的壓力可能有損成品的隔熱性能。作為優(yōu)選，壓力（如果施加則）不會(huì)導(dǎo) 致隔熱產(chǎn)品的最終密度超過(guò)約〇. 5g/cm3。
[0014] 預(yù)型件可加熱至約200°C至300°C的溫度，以將水驅(qū)離粘合劑溶液。還可構(gòu)想出的 是，過(guò)濾步驟可被消除，且混合物簡(jiǎn)單地被加熱，首先驅(qū)離過(guò)多的水，且隨后在加熱過(guò)程中 將剩余的糖轉(zhuǎn)變成聚合形式。
[0015] 然后，預(yù)型件在惰性（非氧化）氣氛（如氬）中以約900°C至約2000°C的最終溫 度碳化，以移除所有（或大致所有）氧和氫，且產(chǎn)生期望形狀的碳化制品。碳化溫度根據(jù)鑄 件的最終用途選擇，且大致高于鑄件在使用中將受到的最高溫度。這減小了使用期間除氣 的機(jī)會(huì)。
[0016] 所得的碳化制品主要包括碳（即，至少95%的碳，更優(yōu)選是至少98%的碳，最優(yōu)選 是大于99. 5%的碳），且具有適用于絕熱的通常小于約lg/cm3的密度，優(yōu)選小于0. 5g/cm3， 更優(yōu)選小于〇. 3g/cm3。制品分段或加工成適合的尺寸，如下文將描述的那樣。
[0017] 由以上方法制造的隔熱制品非常適于在1500°c至2000°C或更高的溫度下使用。 隔熱材料具有〇. lg/cm3至0. 40g/cm3、更優(yōu)選從0. 15g/cm3至0. 25g/cm3的低密度，以及小 于約0. 4W/m° K、更優(yōu)選小于約0. 3W/m° K且甚至更優(yōu)選小于約0. 2W/m° K的逆紋方向 (即，垂直于纖維定向平面）的熱導(dǎo)率。在該實(shí)施例或其它實(shí)施例中，熱導(dǎo)率可在約0.15W/ m° K至約0. 2W/m° K之間。（所有熱導(dǎo)率都在處于25°C的空氣中測(cè)量，除非另外指出）。 沿順紋方向（即，平行于纖維定向平面）的熱導(dǎo)率比逆紋方向相對(duì)更高。在一個(gè)實(shí)施例中， 逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比率小于約0.6。在其它實(shí)施例中，逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率 的比率小于約0.5。在其它實(shí)施例中，逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比率小于約0.42。在其 它實(shí)施例中，逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比率在約〇. 2和約0. 8之間。在又一個(gè)實(shí)施例中， 逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比率在約〇. 3和約0. 5之間。在該實(shí)施例或其它實(shí)施例中，順 紋熱導(dǎo)率可大于約〇. 3W/m° K。在其它實(shí)施例中，順紋熱導(dǎo)率可在約0. 3至約lW/m° K之 間。在其它實(shí)施例中，順紋熱導(dǎo)率可在約〇. 3至約0. 5W/m° K之間。此外，大于150psi的 高強(qiáng)度水平可容易地在如此低密度產(chǎn)品中獲得。
[0018] 現(xiàn)在參看圖1至圖3,根據(jù)本實(shí)用新型的爐具隔熱組件被示出且大致由數(shù)字10表 示。隔熱組件10包括三個(gè)單獨(dú)的部分，其包括主體12和一對(duì)端板14a、14b。如可看到的那 樣，主體12為伸長(zhǎng)的矩形形式，其具有其高度和寬度大致兩倍的縱向長(zhǎng)度。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí) 到的是，所示和所述的本體12長(zhǎng)度僅為示例性的，且可取決于應(yīng)用而更短或更長(zhǎng)。本體部 分12包括形成室16的大致U形的橫截面。如可從圖中看到的那樣，室16可包括加熱可能 需要的各種表面特征、凹口或通道、以及收納在其中的基底元件（未示出）。
[0019] 主體12的第一端18開(kāi)啟，且第二端20包括壁區(qū)段22。如可看到的那樣，主體12 的順紋平面沿其長(zhǎng)度和高度延伸。該構(gòu)造是有利的，因?yàn)楦魺岵牧系纳衔乃龅臒釋?dǎo)率在 逆紋方向（圖中標(biāo)為Z方向）上相對(duì)更低。因此，縱向側(cè)壁24定向成提供最大隔熱效果。 換言之，側(cè)壁24包括兩個(gè)相對(duì)的主表面，且Z方向定向成垂直于主表面。
[0020] 端板14a和14b分別緊固到主體12的相對(duì)端。端板14可經(jīng)由任何適合的手段緊 固到主體12,手段包括但不限于粘著劑、機(jī)械緊固件或它們的結(jié)合。如可看到的那樣，端板 14的順紋平面沿隔熱組件的寬度和高度延伸。如上文所述，該構(gòu)造是有利的，因?yàn)槎税?4 定向成提供最大隔熱效果。以此方式，側(cè)壁24和端壁14被定向以便各個(gè)部分的逆紋方向 向內(nèi)指向內(nèi)室16。因此，獲得了隔熱材料的最大隔熱性質(zhì)。
[0021] 上文所述的隔熱組件特別適合在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的線帶狀拔具中使用。然而，組件可 在需要改善能量效率的其它太陽(yáng)能應(yīng)用和基于硅的應(yīng)用中使用。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到的是， 盡管上述實(shí)施例公開(kāi)了三件式隔熱組件，但超過(guò)三件也可使用，因?yàn)閱为?dú)的件可用于各個(gè) 面向外的壁且布置成使得針對(duì)各個(gè)壁的逆紋方向向內(nèi)指向室。
[0022] 已經(jīng)參照了優(yōu)選實(shí)施例描述了本實(shí)用新型。很明顯，他人在閱讀和理解前述詳細(xì) 描述時(shí)將想到修改和變型。旨在將本實(shí)用新型看作是包括在修改和變型歸入所附權(quán)利要求 或其等同物的范圍內(nèi)的程度上的所有此類(lèi)修改和變型。
【權(quán)利要求】
1. 一種爐具隔熱組件，包括： 具有大致U形橫截面的主體，所述主體包括一對(duì)相對(duì)且間隔開(kāi)的側(cè)壁； 一對(duì)端板，其緊固到所述主體的相對(duì)端，所述端板和所述主體形成內(nèi)室；以及 其中，所述端板和所述側(cè)壁由碳纖維形成的絕熱材料制成，各個(gè)所述端板和所述側(cè)壁 中的所述碳纖維大致定向成平行于順紋平面且垂直于逆紋方向，所述端板和所述側(cè)壁的所 述逆紋方向向內(nèi)指向所述內(nèi)室。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述纖維的至少百分之60平行 于所述順紋平面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述纖維的至少百分之80平行 于所述順紋平面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述纖維的至少百分之90平行 于所述順紋平面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述絕熱材料具有從0. lg/cm3 至0· 4g/cm3的密度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述絕熱材料具有小于約0. 4W/ m° K的逆紋熱導(dǎo)率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述絕熱材料具有小于約0. 2W/ m° K的逆紋熱導(dǎo)率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述碳纖維中的至少一些源于 各向同性浙青。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述碳纖維中的至少一些源于 人造絲。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，所述碳纖維中的至少一些源于 PAN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比 率小于約〇. 6。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爐具隔熱組件，其特征在于，逆紋熱導(dǎo)率與順紋熱導(dǎo)率的比 率小于約〇. 5。
【文檔編號(hào)】F27D1/00GK203893222SQ201290000629
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年6月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月24日
【發(fā)明者】R.C.埃羅伊特, P.蘇布拉馬尼安 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國(guó)際控股有限公司