基于电磁辐射的传热系统以及用于传热系统的箔

摘要

本发明涉及一种基于电磁辐射的传热系统，该传热系统包括炉腔和具有至少两层的箔，所述至少两层的箔包括辐射吸收层，其中辐射吸收层的电磁辐射的波谱和炉腔的电磁辐射的波谱彼此协调。本发明还涉及一种用于传热系统的箔，所述箔包括至少两层，其中箔的电磁辐射的波谱与热源，例如炉的电磁辐射的波谱相协调。箔具有辐射吸收表面并成型为柔性箔和刚性箔，其为金属或聚合物、纸、纸板或其它基于木材的材料。

说明书

本发明涉及一种基于电磁辐射的传热系统，所述传热系统包括炉腔和具有至少两层的箔。

本发明还涉及一种用于传热系统的箔。

本发明的目的在于提供一种基于电磁辐射的传热系统以及一种箔或涂层，例如利用铝包装或铝箔以主要应用于食品工业中，目的在于获得在借助于来自炉中热表面的红外辐射/辐射热进行快速加热方面具有独特性能的表面。这意味着箔的表面由在最大程度上能吸收来自表面内部辐射的材料制成。

因此，设置该新型传热系统使得红外吸收表面的波长能够适应或匹配来自例如炉的内表面的热源发射的红外辐射。对于施加了最常用的涂覆炉腔材料之一的搪瓷的炉，涂层所被关注的是其发射的具有最大强度的红外辐射在8000-10000纳米的范围内。因而，如果借助于辐射热的加热快速有效地进行，新型红外表面能够主要吸收相同波长的辐射。

由于热传导的相当大的部分由辐射热构成，并且在炉壁温度200℃的情况下热传导的超过60％由辐射热构成，因此辐射热比对流热所起的作用更大，为了吸收由炉壁发射的红外辐射，最有利的是在包装上使用铝表面。

如果考虑使用铝的未处理表面，来自辐射热的作用仅占约7％。

所施加的涂层可以借助于印刷技术施加，由非黑色的、但是呈现明亮且视觉上类似铝的矿物组成。所述矿物具有所选择的性能，特别是它们吸收表征来自热炉壁的辐射的给定波长范围内的红外辐射的能力。通过使用涂层作为夹层，其中形成第一层用以吸收红外辐射，形成第二层用以反射由包裹在箔中的加热元件发射的热辐射，从而来自元件的热量被反射回元件。

其原因在于在底层和顶层之间的所谓内部反射。通过将涂层和能改善内部反射的顶层最佳匹配组合，在箔内部测得的温度要高于通过黑色表面(黑体)所获得的温度。

对于生产用以在辐射和对流炉中加热的铝包装内的最终食物产品的需求正在不断增加。其原因在于希望花费较少的时间来烹饪并且节约能源。

由于铝材料对于红外热辐射的良好反射性能，将食品包装在铝箔中并随后在对流炉中加热的工序延长了准备时间。一直试图在例如铝箔上同时制得有光泽一侧和无光泽一侧而不显著改善传热性能。这从理论角度看都不是令人惊奇的。

对于总体传热，与加热耐热包装中的食品相关的问题复杂性可以作为对流和红外热辐射的总和来计算。图1是显示传热随炉温变化的曲线图。该图显示了T_炉＝200℃时，黑色元件上的热辐射占总体传热的约66％。铝箔上热辐射的情况并非如此。此时热辐射仅构成总体传热的约7％。

从图1中可以明显得到，T_炉＝200℃时，黑色元件上的热辐射占总体传热的约66％。铝箔上热辐射的情况并非如此。此时总体传热的仅仅约7％是由于热辐射。

多年来，已知施加铝箔的石墨是非常有效的红外辐射吸收体，并且这些年来为了更有利地发挥该想法在该领域中已经进行了许多尝试。因而，问题在于利用已知黑体可以100％吸收红外辐射这一效果。

因而，US 4220134描述了使用“用以确保红外热辐射吸收的铝表面上的黑色Teflon”。另一个专利US2006/153952A1(由铝制得的aromabag和aromafoil)也使用了黑色表面以有利于最优化地将辐射热传递到铝表面上。对于食品应用，从审美角度上来看，铝箔上的黑色表面并不特别具有吸引力，这是这类箔仍然没有用于家用的最可能的原因。

本发明着眼于表面，其并不是黑色的并且不具有在食品工业中被认为是无美感的外观，同时其具有与石墨相当或好于石墨的性能，即非常高的发射率(辐射量)，其尽可能地接近于黑体，其辐射量为5.768W/m²K⁴。用作炉腔中标准涂层的搪瓷表面的辐射量为5.3W/m²K⁴，而铝的辐射量为0.22W/m²K⁴。结合该表面还确保炉腔避免腐蚀的能力，这种情况也是在过去60年中搪瓷一直作为炉腔中的优选涂层的原因。

此外，铝箔上的涂层必须无毒性或无有害性并且其还应当在高达300℃的温度下保持热稳定，厚度低于14微米并且在应用条件下具有足够的机械性能。其目的在于在使用状态下对铝箔常规处理。

此外，对涂层进行设计以使来自辐射发射表面(炉壁)和辐射吸收表面(箔)的波长匹配。

这意味着一个表面的电磁辐射的波谱与另一个表面的电磁辐射的波谱相协调，从而炉表面能将辐射热有效地传递到箔。

所获得的有益之处在于结合使用电磁波谱处于例如区间下半部的材料和电磁波谱处于例如区间上半部的另一种材料从而在箔上形成表面，其具有更有利地利用所有该区间的电磁波谱。

此外，箔的表面可具有顶涂层，其减少来自铝表面的红外辐射热的反射并同时允许红外辐射通过。试验表明使用该双层涂层提供了令人惊讶的测量结果，其给出了优于上述已知的“炭黑”表面的数值。

由此获得了更为明显有效的传热，在这种情况下，由于能够降低烹调温度，因而可以缩短准备时间和/或节约能源。

通过基于电磁辐射的传热系统可以实现本发明的目的，该传热系统包括炉腔和具有至少两层的箔，其中至少两层的箔包括辐射吸收层，其中辐射吸收层的电磁辐射的波谱和炉腔的电磁辐射的波谱彼此协调。

通过用于传热系统的箔进一步实现了本发明的目的，其中的箔包括至少两层，其中箔的电磁辐射的波谱与热源，例如炉的电磁辐射的波谱相协调。

根据一个实施方案，箔具有辐射吸收表面并成形为柔性箔和刚性箔，其由金属或聚合物、纸、纸板或其它基于木材的材料制得。

根据进一步的实施方案，箔具有延伸度至少为5％的辐射吸收表面。

由此实现表面为柔性的，具有高耐热性和稳定性，其可以加热至300℃至少3个小时，而材料性质不发生显著恶化。

根据进一步的实施方案，箔具有作为连贯薄膜和局部薄膜施加到表面上的辐射吸收表面。

根据进一步的实施方案，箔具有与由耐热有机基质构成的涂层一同施加的辐射吸收表面。

根据箔的另一个实施方案，涂层作为双层涂层施加，其中顶层为稍白的至浅灰乳白色的。

根据箔的另一个实施方案，顶层为TiO₂。

根据另一个实施方案，箔包括辐射发射表面，其优选由具有高发射率的白色或无色矿物，例如CaSO₄、MgCO₃、SiO₂或TiO₂组成。

根据另一个实施方案，箔的辐射吸收表面由暗色矿物组成。

根据箔的另一个实施方案，辐射吸收表面可以通过轮转凹版印刷术、胶版印刷(flexo printing)或其它相应的印刷技术施加。

根据箔的另一个实施方案，涂层可部分地与另一种涂层一起施加以提供装饰用途。

根据箔的另一个实施方案，可以选择辐射发射表面使其减少来自下方的辐射吸收层的反射辐射。

根据箔的另一个实施方案，辐射发射表面包括TiO₂或铝薄片。

根据箔的另一个实施方案，辐射吸收层的电磁辐射的波谱在2500-10000纳米的区间之内。

根据箔的另一个实施方案，辐射吸收层的电磁辐射的波谱在8000-10000纳米的区间之内。

图2显示了石英/搪瓷(SiO₂)的红外光谱与理想黑体的光谱的比较。由图中可见该匹配是合适的。为了获得匹配表面，炉腔表面和铝箔涂覆表面的电磁辐射波谱应具有一致性。

在单层涂层的情况下，测试了大量的材料。在图2中，在炉壁被加热到400℃的试验中，对所选择的单层涂层与“炭黑”进行比较。对于厚度为6微米的涂层，测得的最终平衡温度为“炭黑”216℃，TiO₂为154℃。作为比较，测得的铝箔上的温度为约100℃。在铝箔上施加铝薄片的效果归因于铝箔与固定薄片下侧之间光子的内部反射。还值得注意的是“炭黑”和SiO₂的混合物的表面涂层比“炭黑”更为有效。这表明与以纯炭黑为特征的例子相比后一种情况下的波长更为匹配。

图3显示了所进行的具有6微米单层涂层的试样的试验中所观察到的最大温度和相关时间的例子。在表中给出了涂覆和未涂覆的箔之间在温度上升方面的差异。铝薄片的温度上升是很显著的，但是这是由于铝箔与固定Al薄片下侧之间光子的内部反射。

令人惊奇地发现双层系统具有更为有效的传热性能。其原因被发现是由于在底层和顶层之间所谓的内部反射。通过最优化组合匹配涂层和改善内部反射的顶层，所测得的温度高于铝箔上单层“炭黑”的温度。

通过使用“炭黑”作为底层、TiO₂作为顶层的双层系统，可以结合炭黑的良好吸收性能和TiO₂的外观。此外，因为TiO₂的高折射率，样品内部底层和顶层之间总的内部反射得以改善，因而红外辐射的吸收性能也得以改善。

图4列出了所进行的双层试样的试验中所观察到的最大温度和相关时间。表中还给出了铝箔和试样之间温度和时间的变化及其温度比率。从表中可见，在底层具有或不具有SiO₂且在顶层具有TiO₂的“炭黑”显示出最高的温度，测得该温度为232℃，其比未处理箔的表面温度高124℃。

参见图4，所进行的实验显示出T_{炭黑-TiO2，最高}高于T_{炭黑，最高}超过16℃。从而可以结合“炭黑”的红外吸收性能和TiO₂的高折射率。

图5显示了所选择的双层涂层的温度升高的速率以及获得的最大温度，其中炭黑、炭黑/SiO₂和炭黑/SiO₂与作为顶涂层的TiO₂结合。由三条曲线构成的底部系列曲线显示了未涂覆的铝箔的温度升高。

在所有给出的实施例中，通过例如轮转凹版印刷术的印刷技术将铝箔涂覆到表面上。轮转凹版印刷术能方便地、节约成本地沉积非常薄的涂层，并且双层的应用是标准的技术。因此，印刷技术是非常有吸引力的制造方法，其可以具有非常大的生产能力并施用薄至6微米的非常薄的涂层。

为了使方法可用，必须制备含有颜料的定制的印刷油墨，该颜料具有与来自辐射发射表面(炉壁)和辐射吸收表面(箔)的波长相匹配的性能。此外，所选择的有机粘结剂必须能够抵抗获得的高温；此处丙烯酸类苯乙烯聚合物(Acryl styrene polymer)和硝化纤维素是显而易见的选择。

下文中，参考附图对本发明的实施方式进行描述，其中

图1是显示传热随炉温变化的曲线图。该曲线图显示了依据来自自由对流、黑色元件上的热对流和铝箔上的热辐射的作用而划分的热辐射传热；

图2列出了石英/搪瓷(SiO₂)的红外光谱与理想黑体的光谱的比较；

图3显示了利用具有单层涂层的试样进行的试验中所观察到的最大温度和相关时间的图表；

图4列出了利用双层试样进行的试验中所观察到的最大温度和相关时间；

图5显示了所选择的双层涂层的温度升高速率以及获得的最大温度；

图6显示了具有最接近于铝箔并具有TiO₂涂层作为顶涂层的“炭黑”膜的双层涂层的电子显微镜图像；及

图7显示了具有最接近于铝箔并具有铝薄片作为顶涂层的TiO₂涂层的双层涂层的电子显微镜图像。

在根据本发明的传热系统中，构建红外吸收表面，使其波长适应或匹配自例如炉的内表面的热源发射的红外辐射。其被施加至带有搪瓷的炉，搪瓷是用于涂覆这样的炉腔的最广泛使用的材料之一，涂层所被关注的是其以最大强度发射或辐射的红外辐射的波长在8000-10000纳米的范围内。对于本发明的传热系统，如果借助于辐射热的加热快速并有效地进行，则红外表面应适应于主要吸收相同波长区域内的辐射。然而，可以制造一种箔，其可以吸收另外波长区域内、而不是炉具有最大辐射强度的波长区域的辐射，但仍能完成比使用常规有光泽的铝箔更为有效的加热。

对于本发明中的箔，在一个实施方案中，所施加的涂层可借助于印刷技术施加并由非黑色、但是呈现明亮且视觉上类似铝的矿物组成。所述的矿物具有所选择的性能，特别是能够吸收对应于自热炉壁所发射的辐射的给定波长范围内的红外辐射。涂层还可作为夹层施加，其中形成第一层用以吸收红外辐射，形成第二层用以反射由包裹在箔中的加热元件发射的热辐射，从而来自元件的热量被反射回元件。

选择材料使其比仅使用单层能够在更宽的光谱范围内协同吸收热量。

因而，一种材料可例如在光谱a-b内能够良好地吸收辐射热量，另一种材料在光谱b-c内，并可选地，第三种材料在光谱c-d内能够良好地吸收辐射热量。因此，得到在光谱a-d内具有良好热吸收性能的材料。

换句话说，可以利用这样的优点，即，同时使用电磁波谱在例如区间的下半部的材料和另一种电磁波谱在区间的上半部的材料，以便由此在箔上得到具有可以利用整个该区间的电磁波谱的表面。

通过提供具有铝薄片层的箔，在底层和顶层之间获得所谓的内部反射。通过最优化组合匹配涂层和改善内部反射的顶层，在箔内侧所测得的温度高于通过利用黑色表面(黑体)所获得的温度。

这意味着当有人使用箔例如来烤马铃薯时，辐射热量将穿过红外吸收层且加热马铃薯。当被加热时，其发射热量，热量随后被箔反射回马铃薯。如此使用的加热效果与常规的箔相比更为有利。

图1显示了T_炉＝200℃时，黑体上的辐射热量占总体传热的约66％。铝箔上辐射热量的情况并非如此。此时辐射热仅占总体传热的约7％。

此外，箔的表面可具有顶涂层，其可以减少来自铝表面的红外辐射热的反射并同时允许红外辐射通过。试验中发现使用该双层涂层产生了令人惊讶的测量结果，其数值优于上述已知的“炭黑”表面。

由此可以获得明显更为有效的传热，在这种情况下，由于可以降低烹调温度，因而可以缩短烹饪时间和/或节约能源。

图2显示了石英/搪瓷(SiO₂)的红外光谱与理想黑体的光谱的比较。由图中可见该匹配是合适的。为了获得匹配表面，炉腔表面和铝箔涂覆表面的电磁辐射波谱应具有一致性。

在单层涂层的情况下，测试了大量的材料。在图2中，在炉壁被加热到400℃的试验中，对所选择的单层涂层与“炭黑”进行了比较。在厚度为6微米的涂层的情况下，测得的最终平衡温度为“炭黑”216℃，TiO₂为154℃。作为比较，测得的铝箔上的温度为约100℃。在铝箔上施加铝薄片的效果归因于铝箔与固定薄片下侧之间光子的内部反射。同时值得注意的是“炭黑”和SiO₂的混合物的表面涂层比“炭黑”更为有效。然而，观察结果再一次证明与使用纯炭黑相比后一种情况下的波长更为匹配。

图3显示了利用具有6微米单层涂层的试样进行的试验中所观察到的最大温度和相关时间的图表。在表中给出了涂覆和未涂覆的箔的温度上升方面的差异。铝薄片的温度上升是很显著的，但是这是由于铝箔与固定Al薄片下侧之间光子的内部反射。

令人惊奇地发现双层系统具有更为有效的传热性能。其原因被发现是由于在底层和顶层之间所谓的内部反射。通过最优化组合匹配涂层和改善内部反射的顶层，所测得的温度高于铝箔上单层“炭黑”的温度。

通过使用“炭黑”作为底层、TiO₂作为顶层的双层系统，可以结合炭黑的良好吸收性能和TiO₂的外观。此外，因为TiO₂的高折射率，样品内部底层和顶层之间总的内部反射得以改善，因而红外辐射的吸收性能也得以改善。

图4列出了利用双层试样进行的试验中所观察到的最大温度和相关时间。表中还给出了铝箔和试样之间温度和时间的变化及其温度比率。从表中可见，在底层具有或不具有SiO₂且在顶层具有TiO₂的“炭黑”显示出最高的温度，测得该温度为232℃，其比未处理箔的表面温度高124℃。

参见图4，所进行的实验显示出T_{炭黑-TiO2，最高}高于T_{炭黑，最高}超过16℃。从而可以结合“炭黑”的红外吸收性能和TiO₂的高折射率。

图5显示了所选择的双层涂层的温度升高的速率以及获得的最大温度，其中炭黑、炭黑/SiO₂和炭黑/SiO₂与作为顶涂层的TiO₂结合。由三条曲线构成的底部系列曲线显示了未涂覆的铝箔的温度升高。

图6显示了电子显微镜图像。该图像显示了如图4中所述的双层涂层的实施方案。该最接近于铝箔4的涂层由炭黑膜3组成，并具有TiO₂涂层2作为顶涂层。在图的顶部，显示了模塑料1。涂层借助于印刷技术施加。涂层为白色，平衡温度为232℃。该类型的箔可使中等尺寸烤马铃薯的制作时间减半。

图7显示了电子显微镜图像。该图像显示了如图4中所述的双层涂层的另一个实施方案。此处，涂层由最接近于铝箔4的TiO₂涂层2组成，并具有如前所述的铝薄片5作为顶层(铝薄片如椭圆形虚线所示)。在图的顶部可以看到模塑料1。涂层借助于印刷技术施加。测试期间涂层温度为199℃，而纯TiO₂涂层的温度不超过154℃。作为比较，相同处理下的未处理箔未达到100℃。

在所有给出的实施例中，借助于例如轮转凹版印刷术的印刷技术在表面上施加铝箔。轮转凹版印刷术能方便地、节约成本地沉积非常薄的涂层，并且双层的应用是标准的技术。因此，印刷技术是非常有吸引力的制造方法，其可以具有非常大的生产能力并应用薄至6微米的非常薄的涂层。

为了使方法可用，必须制备含有颜料的定制的印刷油墨，该颜料具有与来自辐射发射表面(炉壁)和辐射吸收表面(箔)的波长相匹配的性能。此外，所选择的有机粘结剂必须能够抵抗获得的高温；此处丙烯酸类苯乙烯聚合物和硝化纤维素是显而易见的选择。

根据进一步的实施方案，辐射吸收表面为稍白的至浅灰乳白色的外观。