Brevet FR2362357A1 — publié le 19780317

La présente invention concerne des revetements optiques relativement peu coûteux qui sont appliqués sur des surfaces convenables pour donner à ces surfaces des propriétés spectrales sélectives. Une application importante de telles surfaces sélectives est la réalisation de surfaces absorbantes pour les collecteurs d'énergie thermique solaire, mais elles sont également utiisables3par exemple, pour les appareils nécessaires pour émettre un rayonnement dans des bandes de longueur d'ondes choisies. L'utilisation de surfaces absorbantes sélectives dans des collecteurs solaires dans le but d'absorber autant de rayonnement solaire que possible, tout en réémettant considé rablement moins d'énergie qu'une surface noire normale , date de 1955. Des surfaces sélectives utilisables ont été réalisées jusqu'a présent principalement par des procédés chimiques et électro-chimiques, mais également par dépôt sous vide ou ,par dépôt à partir de gaz ou phases vapeur. Les désavantages communs a tons ces procédés sont les grands investissements en équipement nécessaires et dans de nombreux cas la difficulté d'obtenir une épaisseur de couche uniforme sur de grandes surfaces.Avec les procédés chimiques et électrochimiques, il y a le problème supplémentaire des effluents pour empêcher la pollutior de l'eau; avec les autres procédés,il y a des problemes en rapport avec les poches d'air, mélanges de gaz et réglage des températures. On a tenté de développer des peintures, compor tant des pigments et des liants a appliquer aux surfaces métalli quels. Jusqu'a présent, le pouvoir émissif de telles surfaces peintes a été trop élevé pour permettre une utilisation pratuue, principalementence que la transparence des liants disponibles pour le rayonnement de chaleur émis était trop faible, mais également a cause d'un choix incorrect des pigments, de la dimension de leur grains , et de l'épaisseur du revêtement. Malgré ce manque de succès rencontré dans le passé, l'utilisation de substanc sous forme de poudre pour les surfaces sélectives reste fortement avantageuse, principalement a cause de la simplicité relative de la fabrication et du faible prix relatif. La présente invention décrit de nouvelles classes de liants et un procédé pour fixer les couches de poudre aux surfaces métalliques sans l'utilisation d'un liant. Par ces moyens et avec le choix correct d'une poudre absorbante ou pigment , on peut fabriquer facilement et de façon reploductiSE de surfaces possédant le pouvoir absorbant du rayonnement solaire d'une surface nol normale mais ayant moins d'un tiers du pouvoir émissif de cette dernière. Les pertes de chaleur d'un collecteur plat utilisant de telles surfaces sélectives sont typiquement réduites de 25 a 30Z, par comparaison avec une surface noire normale. Cet avantage peut etre utilisé de différentes façons, par eXemple; par réduction de la surface descollecteurs nécessaire dans me installation ou en utilisant un couvercle en verre alors qu? aupar avant, on utilisait deux couvercles pour obtenir le même résultat. La faible augmentation de prix ds surfaces sélectives selon l'invention par comparaison avec les surfaces noires normales, est de loin compensée par les économies réalisées. Ceci n'a pas été le cas avec les surfaces sélectives disponibles auparavant dont le prix dépassait de plusieurs fois celui des surfaces selon l'invention. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes où: la figure 1 est une vue en coupe agrandie d'un mode de réalisation selon l'invention où un mélange de pigment et de liant a été étalé de manière égale sur la surface du support a. La figure 2 est une vue en coupe agrandie d'un mode de réalisation selon l'invention, non a l'échelle, où une couche de liant 3 a d'abord été fixée au support 1, et ensuite le pigment a été étalé sur la surface collantediliant où il adhère sous forme d'une couche 4. La figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation selon 1'invention dans lequel une couche de liant 5 a été pressée sur ou dans la surface du support 1. La présente invention fournit des surfaces ayant des propriétés spectrales sélectives avec un bon rendement et à un prix relativement bas. L'invention décrit une couche de substances convenables sous forme de poudre qui adhèrent a une surface donnée ru l'utilisation de liants spécialement choisis ou dans l'alternative sans utilisation d'un liant. Une caractéristique essentielle de cet assemblage est que les propriétés obtenues de la substance, le liant et la surface sous Les liants selon l'invention possèdent une transparence élevée au rayonnement infrarouge émis par la surface chaude sous-jacente, ainsi que de bonnes propriétés adhésives pour la poudre et la surface à revêtir. Le procédé selon l'invention pour obtenir l'adhérence de la couche de poudre à la surface sous-jacente sans l'utlisation d'un liant consiste à amener la couche de poudre en contact intime avec la surface, par exemple par pressage ou en laminant la couche de poudre sur ou dans la surface, spécialement avec une déformation mécanique simultanée de l'article dont la--surface doit être revêtue , par exemple une feuille de métal. De telles surfaces sélectives sont réalisées pour être utilisées principalement, mais non exclusivement comme surface absorbante dans les collecteurs d'énergie thermique solaire,particulièrement dans les collecteurs plans plats. Pour cette application, les propriétés exigées sont un pouvoir absorbant élevé du rayonnement solaire, lié à un faible pouvoir émissif du rayonnement thermique. Ces propriétés sont obtenues comme avec les surfaces sélectives habituelles réalisées principal ment par des procédés chimiques et électro-chimiques, en appliquant sur une surface métallique à faible pouvoir émisBf une substance qui absorbe le rayonnement solaire mais qui est largement transparente pour le rayonnement infra-rouge émis par la surface métallique chaude. En conséquence, il est un but de la présente invention de réaliser des surfaces ayant des propriétés spectrales sélectives avec un bon rendement et un prix relativement faible, spécialement pour les utiliser comme surface absorbante dans des collecteurs solaires. Il est un but particulier de l'invention de réaliser des surfaces à propriétésspectrales sélectives formées par l'application d'une couche d'une substance ou de substances sous forme de poudre sur une surface sous-jacente, où l'adhérence de cette couche est réalisée soit par l'utilisation de liants soit dans l'alternative , par un moyen purement mélanique sans utilisation d'un liant. Il est un antre but de l'invention de fournir le liant et le moyen mecanique-pour réaliser l'adhérence de la couche de poudre à la surface sous-jacente, dans le but de produire les surfaces sélectives décrites ci-dessus. D'autres buts, avantages et applications de l'invention seront évidents à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation préférés. Un premier mode de réalisation de l'invention est une surface sélective convenable comme surface absorbante pour collecteur solaire. On fait adhérer des substances sous forme de poudre, par exemple de pigments, ayant un pouvoir absorbant élevé pour le rayonnement solaire,mais une transparence élevée pour le rayonnement calorifique émis aux températures typiques des collecteurs solaires, par exemple, les oxydes de cuivre, de cobalt, de nickel, ou de fer, ou des mélanges de ces substances, aux surfaces métalliques à faible pouvoir lémissiftelles queles surfaces propres et polies d'aluminium ou de cuivre au moyen de liants qui sont largement transparents pour le rayonnement thermique émis.Le faible pouvoir émissif de la surface métallique originale n'est pas fortement affecté par le revêtement,étant donné qu'a la fois le liant et les pigments sont largement transparents aux rayonnements émis. in'un autre côté, la surface revêtue absorbe le rayonnement solaire parce que les pigments absorbent dans ce domaine spectrale Les liants préférés pour cette application sont les paraffines liquide 'ou solides, ou différentes formes due polyéthyldnes,ou des mélanges de ces substances. En plus d'avoir les propriétés optiques néces- ! saires, ces liants possèdent également une excellente adhérence et flexibilité de sorte que les revêtements ne peuvent s'enlever à cause de la différence de dilatation thermique entre le revêtement et le métal, ce qui est un facteur important pour les collecteurs solaires. Les autres avantages de ce mode de réalisation de l'invention sont un faible investissement en équipement, 'convenance pour toutes les échelles de production depuis le 'travail manuel individuel jusqu'à l'échelle industrielle, les faibles prix des matériaux et l'absence de déchets, la vitesse de fabrication relativement élevée , le faite qudune application continue des revêtementsest possible, et le grand choix de combinaisons de pigments/surfaces métalliques possible , étant donné que la substance qui absorbe le rayonnement solaire ne doit pas adhérer elle-même à la surface métallique, par opposition aux procédés connus, principalement chimiqueset électrochimiques. Les pigments peuvent donc être choisis dans un grand domaine de produits de l'industrie chimique bien définis, chimiquement et physiquement stables et relativement peu comateux. En outre, la fabrication de surfaces sélectives selon l'invention peut se faire avec des techniques déjà existantes telle que l'application de peintures au rouleau, à la brosse, pulvérisation ou application de poudre, facilitant ainsi l'introduction de ces surfaces et réduisant au minimum l'investissement en équipement nouveau. Un autre avantage important de ce mode de réalisation est que le pouvoir absorbant du rayonnement solailede ces surfaces sélectives peut être augmenté par un choix convenable de la dimension des grains des pigments, en ce que la diffusion multiple du rayonnement solaire entre les grains peut réduire le pouvoir réflecteur de la surface. Un autre avantage pratique est que les surfaces sélectives de ce type peuvent être aisément réparées lorsqu'elles sont endommagées. Des exemples de procédés de fabrication de ce premier mode de réalisation sont maintenant donnés. Exemple 1. La plaque métallique à revêtir est une feuille d'aluminium commercialement pur d' 1 mm d'épaisseur. Le pigment est de l'oxyde cuivrique,Cu0, dont la dimension moyenne des grains est de O lpm, et le liant est une paraffi:eliquide,pure,médicale telbque le produit connu sous la désignation commerciale "Nujol". La plaque d'aluminium est rendue uniformément rugueuse avec dela cn laine d'acier, de savon et d'eau, puis/rinceetoesèche . On appli- que de manière égale un mélange de 3 g de Cu0 et 7 g de paraffine liquide par mètre carré de surface sur cette plaque d'aluminium en utilisant un rouleau de caoutchouc ayant une surface lisse. La surface sélective est alors -prête pour être employée. Exemple 2: Le procédé t identique à celui décrit dans I'exemple "1, à l'exception que la quantité prescrite de mélange par mature carre due surface est,en outre, mélangée avec une quantité convenable de diluants de cellulose,et le meEange résultant est appliqué uniformément sur la surface métallique préparée, soit à la brosse, soit avec un pulvérisateur. Pour ces procédés d'application de revêtements, il est conseillé d'employer des grains de pigments ayant une dimension aussi petite que possible pour réduire au minimum la séparation de pigments de ce mélange et l'obturation du pulvérisateur. La surface sélective peut être employé dès que bs diluants se sont évaporés.Ce procédé est avantageux pour revêtir les surfaces qui ne sont pas complètement planes, dans lequel cas l'application au moyen d'un rouleau comme dans l'exemple 1 pourrait etre difficile. Exemple 3: Les produits employés sont ceux de l'exemple 1, à ltexception que le liant est une feuille de polyéthyîène de faible densité ayant une épaisseur de 25 pm . Cette feuille est disposée sur la surface d'aluminium préparée, et les deux sont chauffées jusqu'a au moins 120 Oc , par exemple sur une pique chaude, ce qui a pour effet de faire fondre la feuille et d'obtenir son adhérence sur la surface d'aluminium. Le pigment est alors ajouté sur la surface collante jusqu'à ce qu'un recouvrement complet soit obtenu, le riment superflu étant enlevé au moyen d'une brosse. Après refroidissement, on obtient une surface solide. Il est avantageux d'employer une feuille plus mince lorsque c'est possible, étant donné que la transparence au rayonnement infrarouge augmente lorsque l'épaisseur de la feuille diminue. Un second mode de réalisation de l'invention est également une surface sélective convenable comme surface absorbante d1un collecteur solaire. Les mêmes substances sous forme de poudre, c'est-à-dire les pigments, cités ci-dessus pour le premier mode de réalisation où des mélanges de celles-ci, sont formées en une couche uniforme , et amenées ensuite en contact intime avec une surface à faible pouvoir émissif telle qu'une surface propre et polie d'aluminium ou de cuivre, par exemple par pressage ou laminage de la couche de poudre sur ou dans la surface, en particulier avec une déformation mécanique simultanée du métal à revêtir. Le faible pouvoir émissif de la surface métallique originale n'est pas affectée grandement par le revêtement, étant donné que la couche de pigments est largement transparente au rayonnement émis. D'un autre côté, la surface revêtue absorbe le rayonnement solaire par ce que les pigments absorbent dans ce domaine spectral Un autre avantage de ce mode de réalisation de la présente invention est que l'adhérence du pigment à la surface métallique est réalisée sans l'utlisatîon d'un liant. Ceci a deux conséquences principales: tout d'abord, la température d'utilisation de la surface sélective n'est pas limitée par la stabilité thermique du liant, et deuxièmement, que des pouvoirs émissifs potentiellement inférieurs de la surface sélective peuvent etre obenus, étant donné qu'aucune matiere de liant n'est idéalement transparente au rayonnement thermique émis: un liant par conséquent augmente toujours le pouvoir émissif de la surface métallique jusqu'a un certain point. D'autres avantages de ce mode de réalisation de l'invention sont les faibles prix des matières employées, la vitesse relativement élevée du procédé, le fait qu'une installation déja existante , par exemple un laminoir peut être utilisée. le grand choix de combinaisons de pigment /surface métallique possible, par opposition aix procéd connus principalement chimiques et électrochimiques, et le fait qu'un revêtement continu d'une bande métallique est possible. Un autre avantage important de ce mode de realisatiop est ltexcellente adhérence des revêtements, due au contact intime de la couche de pigments avec la surface de métal, ce qui résulte en une résistance élevée au décollement de ce revêtement lorsqu'il est soumis a une dilatation thermique différentidle ou à d'autres traitements mécaniques qui pourraient être nécessaires pour la fabrication d'une plaque absorbante d'un collecteur solaire. Un autre avantage important encore de ce mode de réalisation est que la fabrication de surfaces sélectives peut être intégrée au procédé "ROLL-BOND" pour la fabrication de plaques absorbantes pour collecteur solaires, soit par l'utilisation du meme laminoir pour les deux procédés ou en mettant en oeuvre les deux procédés simultanément, en outre, de telles surfaces sélectives peuvent être produites sur plusieurs plaques en meme temps. Des exemples de procédés de fabrication de ce second mode de réalisation seront maintenant donnés. Exemple 4: La plaque métallique est une feuille d'aluminium commercialement pur de 2 mm d'épaisseur. Le pigment est de l'oxyde de fer noire, Fe304, dont la dimension moyenne desgrains ést de 0,1 pm . La surface d'aluminium est préparée comme dans l'exemple 1. Une mince couche de pigments est d'abord assemblée sur une bande d'acier trempée, de 0,05 mm d'épaisseur qui a été nettoyée à I'acétone. Ceci est réalisé en étalant d'abord une colle de caoutchouc fortement diluée sur une surface de la bande d'acier au moyen d'un tampon saturé de laine de coton. Le pigment est alors étalé sur la surface collante pour réalisér un recouvrement complet, le pigment superflu étant enlevé par secousses ou brossage. La bande d'acier revêtue est alors disposée sur la plaque d'aluminium la couche de pigments faisant face à la surface d'aluminium préparée, et ensuite les deux feuilles sont passées à travers un laminoir . Le procédé de laminage est repété une ou deux fois en utilisant une bande d'acier nouvellement revêtue chaque fois, jusqu'a ce qu'un revêtement uniformément noir soit obtenu sur l'aluminium. L'épaisseur finale du revêtement est typiquement de 0,5 Fun , et la réduction générale de l'épaisseur d'aiu- minium est typiquement de 25%. Exemple 5: Deux plaques d'aluminium de 2 mm d'épaisseur sont nettoyées chacune et rendues rugueuses sur une surface, comme dans l'exemple l. On réalise une suspension du pigment employé dans l'exemple 4 dans l'isopropanol7 et on applique celle-ci uniformément sur chaque surface d'aluminium préparée, Les deux plaques d'aluminium sont alors rivetées ensemble, les surfaces revêtues se faisant face, et on les passe ensemble à travers un laminoir .Après la séparation, les plaques sont prêtes ,pour la fabrication de plaques absorbantes pour collecteurs solaires.La réduction au laminoir peut être choisie dans de grandes limites pour convenir au procédé de production età l'dp?is- seur originale du pigment-qui peut être atteinte convenablement jpar l'applicaton. Une réduction minimum de 10% est raisonnable. Une épaisseur finale de pigments de 0,5 pm est raisonnable pour l'oxyde de fer noir employé dans cet exemple. En ce qui concerne le premier mode de réalisation, on doit faire remarquer que la dimension optimum des grains de pigments dépend de leur indice de réfraction, de l'indice. de réfractiondl liant et du degré d'immersion desgrains dans le liant, entr'autres.La dimension optimum de grains doit par consér quint être déterminée expérimentalement dans chaque cas. L'épaisseur du liant doit être maintenue un minimum convenable pour de bonnes propriétés d'adhérence. En ce qui concerne le second mode de réalisation, la dimension optimum des grains de pigments doit également être déterminée expérimentalement dans chaque cas. Dans le cas des deux modes de réalisation de l'invention, I" épaisseur optimum de pigments c'est-à-dire le volume total des pigments par unitéde surface, dépend des valeurs relatives du pouvoir absorbant des pigments pour le rayonnement solaire et pour le rayonnement infrarouge émis, et des pouvoirs absorbants et émissifs souhaités pour la surface. En outre,dans le cas des deux modes de réalisation, il est possible d'employer des pigments colorés au lieu des pigments noir-s. Ceci est un avantage pour améliorer l'apparence externe des collecteurs solaires, plus spécialement lorsque de grandes surfaces sont envisagées. Par ce moyen, une certaine adaptation au paysage et au milieu urbain est possible, ce qui dans certains cas peut être un facteur décisif pour obtenir le permis de construire. La perte de rendement due au pouvoir absorbant inférieur d'un revêtement coloré est acceptable avec les revêtements sélectifs parce qu'il est compensé par le faible pouvoir émissif de la surface. Donc, le rendement d'une surface noire normale peut toujours être obtenu avec les avantages d'une surface colorée. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation et des procédés qui vennent d'être décrits uniquement a titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. I Revendications: 1. Corps comportant une surface à propriétS spectrales sélectives caractérisé en ce qu'il comprend une couche externe de pigments sous forme de poudre, cette couche étant fixée mécaniquement à la surface à faible pouvoir émissif d'un support, cette même couche possédant un pouvoir absorbant élevé du rayonnement solaire tout en étant largement transparente au rayon nement thermique émis par la surface du support. ! 2. Corps selon la revendication 1, caractétisé en ce que' la couche de pigments est fixée au support au moyen d'un liant. Corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de liant est amenée en contact intime avec la surface du support par compression de cette couche sur et dans cette surface, par exemple en la faisant passer par un laminoir. 4. Corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de pigments contient des oxydes métalliques par exemple des oxydes de cuivre, de cobalt , de fer ou de nickel ou des mélanges de ceux-ci. 5. Corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pigments sont colorés. 6. Corpe-selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du support consiste en un métal, par exemple du cuivre ou de l'aluminium poli. 7. Corps selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liant consiste en paraffines liquides ou solides, ou différentes formes de polyéthylène ou des mélanges de ces substan ces. 8. Procédé de fabrication des corps comportant une surface & propriétés spectrales sélectives selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface qui doit recevoir la couche de pigments est d'abord nettoyée contre toute contamination qui augmenterait le pouvoir émissif de la surface et qu'ensuite la couche de pigments est fixée mécaniquement à cette surface. 9. procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce mulon applique un mélange de pigments et de liants de manière égale sur la surface du support. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les liants sont appliqués à la surface des supports, que les deux sont chauffés Si nécessaire, et que par la suite du pigment est réparti sur la surface collante. il. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce jupon amène les pigments en contact avec la surface du support et on lespresse sur et dans cette surface, spécialement par l'utilisation d'un laminoir. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'une couche de pigments est d'abord assemblée sur une matrice au moyen d'un produit adhésif par exemple une colle de caoutchouc et que la couche de pigments est pressée sur ou dans la surine du support au moyen de cette matrice. 13. Procédé selon B revendication 11, caractérisé en ce jupon réalise une suspension de pigments dans m liquide volatil, que les surfaces nettoyées des deux supports sont revêtues de manière égale au moyen de cette suspension, qu' après l'évaporation du liquide les deux supports sont fixées ensemble au moyen des surfaces revêtues en contact l'une avec l'autre, que les deux supports sont pressés ltun contre l'autre, spécialement en les faisant passer à travers laminoir, et qu'ensuite les supports sont séparés l'un de l'autre. 14. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le support est déformé mécaniquement pendant l'application du revêtement, par exemple en le faisant passer à travers un laminoir. 15. Application du corps selon l'une quelconque de t revendications 1 a 7, dans des collecteurs solaires.