Brevet FR2483564A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne la réalisation de panneaux sous vide de grande surface ayant de très faibles pertes thermiques : destinés, dans la variante transparnnte, è- réaliser des "vitrages" isolants de très hautes per formances à l'usage des serres des habitations et des capteurs solaires destinés, dans la variante opaque, a réaliser des panneaux d'isolation de très hautes porformhncee è l'usage des volumes de stockage, ou tout autre anplica- tion nécessitant d'excellentes isolations ; et, destinés également dans une autre variante, à la réalisation des capteurs solaires de très hautes perfor mancies. Dans les oispositifs connus de ce genre, vitrage' ou cateurs so- laires de grandes surfaces, la séparation entre le milieu intérieur et le mi lieu extérieur se fait avec une ou plusieurs cloisons transparentes, possédant ou non un traitement réflecteur pour les infrarouges lointains, avec, entre les cloisons, soit de l'air, soit un gaz approprié Ces dispositifs pressentent tous l'inconvénient d'avoir encore des pertes thermiques beaucoup trop importantes pour utiliser rationnellement l'énergie solaire. Les calculs des pertes thermiques par conduction, par convection, et par rayonnement, relatifs à ces dispositifs connus, nous donnent les estimations suivantes - pour une vitre seule, les pertes totales sont comprises entre 9 et I5 W/m2/degrés c - pour une double vitre, entre 4 et 6 W/m2/degrés c - pour lQne double vitre avec traitement réflecteur de l'infrarouge lointain, entre 2,5 et 4 W/m2/degrés c - pour un capteur solaire à une vitre avec absorbeur sélectif (a IRL P 0,05), entre 3,5 et 4 W/m2/degrés c - pour un capteur solaire à double vitre avec absorbeur sélectif (a IRL = 0,05), entre 2 et 2,5 W/m2/degrés c (calculs effectués pour des température de + 5 à + 30 degrés c) Le dispositif suivant l'invention permet de réaliser des panneaux sous vide ou sous faible pression, de faible épaisseur, de grande surface, ayant des pertes thermiques 10 à 50 fois plus faibles que les divers dispositifs connus. Les calculs des pertes thermiques, par conduction, par convection et par rayonnement, relatifs à ces panneaux, objet de l'invention, nous donnent pour les diverses variantes les estimations suivantes - pour les vitrages isolants, les pertes totales sont comprises en tre 0,25 et 0,75 W/m2/degrés c - pour les capteurs solaires, entre 0,2 et 0,5 W/m2/degrés c - pour les panneaux opaques d'isolations, entre 0,02 et 0,08 W/m2/ degrés c (calculs effectués pour des températures de + 5 à + 30 degrés c et pour plusieurs technologies). Ainsi, avec de tels perneaax, moyennant une capacité de stockage re lativement faible, on peut garantir le chauffage solaire intégral des serres et des habitations sur la totalité du territoire français, excepté les altitudes trop élevées. Le dispositif, objet de l'invention, comporte au moins deux cloisons opaques pu transparentes, suivant les variantes, planes ou de forme quelconque, rigides ou souples, identiques ou non, placées les unes en face des autres, à une distance généralement faible devent les dimensions de ces cloisons. Un sys tème de joint ou de scellement, disposé de préférence sur tout le Périmètre des cloisons, rend étanche, vis à vis de l'extérieur, le volume intérieur ainsi dé limité. Une structure résistante, placée à l'intérieur entre les deux cloisons et répartie sur toute la surface, permet à ces deux cloisons de supporter la pression a.tmospnérique lorsque 'e volume intérieur est soumis au vide ou à une faible pression.La géométrie et les matériaux de cette structure résistante sont tels que les pertes athermiques par conduction engendrées par cette structure restent très faibles entre les deux cloisons. D'autre part, le surface de tous les éléments constituant cette structure résistante a, vis à vis des rayonnements ultraviolets visibles et infrarouges, un eoefficient d'absorption le plus faible possible, eeci afin d'évitertoute perte d'énergie inutile et toute montée en tem pérature intempestive de cette structure. La face intérieure d'au moins une cloison,-et parfois des deux, a un facteur de réflexion le l'ils grand possible dans l'infrarouge lointain. Ces pro piétés phys-aues sont, soit inhérentes aux matériaux choisis pour réaliser les cloisons, soit obtenues par un traitement ae surface approprié de la fane inté rieure de ces cloisons. A titre d'exemples non limitatifs, ces traitements de surface sont pour le verre, soit -ane couche d'oxyde d'indium (In2 03) soit une couche d'oxyde d'étain (Sn 02) sois '1r.e col'.che d'oxyde de titane (Ti 02) (oxydes dopés) ciu au treks, dtposées par divers procédés , tels que la pyrolyse, l'évaporation sous vide, la pulvérisation haute fréquence, etc ... Pour les cloisons opaques ou les absorbeurs, ces traitements de surface sont par eY-^aple : des peiatures spéciales, des dépôts électrolytiques, des oxydations, ies dépits ehimiques, etc ... Les faces extérieures de ces deux cloisons sont, soit lisses, soit de texture et de géométrie étudiées pour solutionner au moins partiellement certains problèmes d'optiques, de résistances mécaniques, ou de technologie. Suivant les cas, ces dispositifs sont, soit à vide statique, panneaux scellés, soit. à vide entretenu, panneaux raccordés à un système de pom page. Les panneaux à vide entretenu sont de technologie moins complexe. D'autre part, on peut réguler la température en "jouant" sur la pression interne des panneaux, c'est-à-dire sur ses pertes convectives. En outre, ces panneaux ont de bonnes performances mécaniques au ni veau des chocs, et notamment de la grêle, ceci gracie b la structure résistante de soutien répartie sur toute la surface entre les deux cloisons, cet ensemble fortement serré par la pression atmosphérique se comporte comme une poutre composite de grande inertie. Pour résumer, il est clair que ces panneaux, suivant l'inventionp ont d'excellentes performances, par le fait que les trois causes principales de per tes thermiques ont été réduites simultanément par divers moyens appropriés les les pertes par conduction, par un choix judicieux des matériaux et de leur géomé trie ; les pertes par rayonnement, par le fait qu'au moins une des deux faces intérieures des cloisons ainsi que les éléments de la structure de soutien, ont un grand coefficient de réflexion dans l'infrarouge lointains ou un faible pouvoir émissif également dans l'infrarouge lointain ; et les pertes par convec- tion, par le fait qu'on maintientle vide ou une très faible pression entre les deux cloisons.Le vide entre les deux cloisons est possible gracie à la présen ce de la structure résistante de soutien. Les dessins annexés illustrent, à titre exemple non limitatif, plu sieurs variantes et plusieurs modes de réalisations du dispositif conformes à la présente invention. - La figure nQ I est une vue en perspective d'un vitrage isolant, la figure n2 2 est une vue en coupe de ce même vitrage. Les cloisons transpa rentes (I) sont en verre à vitre, elles reposent sur un cadre en matière plas tique (2) dont la face intérieure (8) est réflechissante, l'étanchéité étant assurée par un joint coulé (7) présentant une légère souplesse ; la structure résistante ()) est constituée d'un réseau de colonnettes en matière plastique réfléchissantes de 3 à 4 ne de diamètre espacées de 25 à 30 mm ; le traitement de surface d'au moins une des cloisons (5) > réflecteur dans l'infrarouge loin tain, est une couche d'oxyde d'étain Sn 2 ou d'oxyde d'indium In2 03 dopé déposé par pyrolyse, l'orifice (4) sert à maintenir le vide (6) entre les deux cloisons1 les dimensions sont par exemple : longueur 2 mètres, largeur I mètre, épaisseur 5 centimères. - La figure ni 3 est une vue en coupe et perspective d'un vitrage isolant constitué de cloisons transparentes souples se présentant sous forme d'un bracelet de grande longueur que l'on enfile comme une gant sur une structure résistante de soutien représentée symboliquement en (2), le vide maintenu à l'intérieur du panneau (3) impose à l'ensemble de la cloison .souple la forme repré sentée par le dessin (I) ; cette forme s'explique par le fait que la cloison transparente souple travaille à la traction, pendant que la structure de soutien (2) travaille à la compression. Cette conception mécanique pour des matériaux donnés nous permet d'obtenir les poids au mètre carré de panneau les plus faibles possible, donc un prix matière réduit. En (4), à l'intérieur du panneau, on retrouve un traitement réflecteur pour l'infrarouge lointain. - La figure n2 4 est une vue en coupe et perspective d'un panneau isolant opaque ou trensparent obtenu par extrusion d'une matière ayant la conductibilité thermique la plus faible possible. Les cloisons (I) ont une forme qui leur permet de travailler le plus possible à la traction, l'espace intérieur le plus rapproché entre ces deux cloisons est relativement faible de façon à avoir la poussée latérale la plus faible possible, la structure résistante de soutien (2) travaille à la compression, la face intérieure (3) d'au moins une cloison a un coefficient de réflexion très grand dans l'infrarouge lointain, le tube (4) permet de maintenir le vide entre les deux cloisons (5). - La figure n2 5 est une vue en coupe d'un panneau isolant opaque, les cloisons (I) sont en matière plastique par exemple, le cadre (2) est gale- ment en plastique, les formes mile et femelle de ces cadres permettent l'assemblage, l'étanchéité est obtenue par soudllre (3), la structure de soutien est schématisée par (4), les faces intérieures des deux cloisons de préférence (5) ont de grands coefficients de réflexion dans l'infrarouge lointain, le tube (6) permet de maintenir le vide entre les deux cloisons (7). - La figure n2 6 est une vue en perspective d'un tronçon de réglette moulée, destinée à réaliser des structures résistantes de soutien travaillant à la compression et pouvant couvrir n'importe quelle surface. Les gorges (2) permettent de les encastrer "tête bêche", perpendiculairement les unes par rapport aux autres. Vu de dessus, un tel assemblage forme des carrés sur toute la surface désirée, les deux cloisons opposées à soutenir reposent ainsi sur les pieds (I) de ces réglettes. La matière pour réaliser ces réglettes a une grande résistance thermique a' a conduction. La surface de ces réglettes a un faible coefficient d'absorption pour les rayonnements ultraviolets visibles et infrarouges. Les formes et les dimensions de ces réglettes peuvent varier à l'infini. La figure no 7 est une vue e perspective et la figue no 8 une vue de dessus d'un même élément de structure résistante de soutien, obtenu par mou lage par exemple. Les colonnettes (I) travaillent a la compression et soutienne.nt les cloisons d'un quelconque panneau, les traverses (2) solidarisent les colonnet- tes entre elles, les oeillets (3) permettent d'assembler plusieurs éléments afin de couvrir la surface voulue. Les propriétés mécaniques, thermiqueset optiques de ces éléments sont les mêmes que pour les réglettes de la figure no 6. - La figure n 9 est la vue en coupe d'un capteur solaire selon l'invention. La cloison (I) est transparente, la cloison (2) pst soit transparente, soit opaque, ces cloisons reposent sur un cadre (3) en matiere plastique par exemple, l'étanchéité est obtenue par un joint coulé (4), l'absorbeur (5) est "pincée entre deux structures de soutien (7), les tubes (6) véhiculent le fluide caloporteur, le tube (8) permet de maintenir le vide à l'intérieur (9).La surface de .l'absorbPur a un très bon coefficint d'absorption vis-à-vis du rayonne ment solaire et un très faible coefficient d'éaission dans l'infrarouge lointain si ce coefficient est suffisamment faible, la face intérieure de le cloison (I) peut ne pas avoir de traitement réflecteur dans l'infrarouge, ides pour la cloi son (2).Il faut noter que si les deux cloisons (I) et (2) sont transparentes, le panneaux va capter l'énergie solaire par ses deux faces, et cette particularité peut devenir treks intéressante dans de nombreux cas : capteurs placés à proximi- té d'une zone réfléchissante ; capteurs placés -rs- ticålement, lne face au sud et l'autre au nord ; capteurs placés verticalement au dessus d'un sol clair, sable, neige, etc ... I1 faut souligner que si les pertes thermiques du capteur sont importantes, c1 est le cas des dispositifs connus, cette particularité devient globalement inintéressante. - La figure nO 10 est la vue an coupe d'un capteur solaire dont l'une des cloisons (2) est l'absorbeur lui-même, la cloison (I) est transparente, le cadre (3) supporte les deux cloisons, l'étanchéité est assurés par un joint dé formable (4) immobilisé par un étrier (5) possédant un système de serrage schématisé par une croix (6), l'ensemble de ce panneau étant démontable. On retrouve les tubes (8! pour le fluide caloporteur, le tube (9) pour le vide, et la structure de soutien (7). L'absorbeur aura les mêmes caractéristiques que celles décri- tes pour la figure (9) et il pourra se présenter sous diverses formes, refrnidi par liquide, par gaz, ou n'être qu'une simple "tôle", ce type de capteur solaire a son intérêt dans certaines applications. - La figure n2 II représente en coupe un panneau composite, comportant un vitrage isolant selon l'invention, identique à celui décrit par les figures I et 2, en ce qui concerne les repères tI) (5) (6) (7) (II) et (I2) de la figure ng II, le système de joints démontables est identique à celui décrit par la figure no IO, en ce qui concerne les repères (2) (3) (4) et (13) de la figure nQ II. En outre, ce panneau comporte un volume supplémentaire (9) délimité par les cloisons (5) et (8) et le cadre (2).Ce volume supplémentaire peut servir à réguler, soit le flux thermique traversant le vitrage, soit le flux lumineux, soit les deux, grâce à des mécanismes qui feront l'objet d'une descrip tion ultérieure. Les applications de ces panneaux sont nombreuses et importantes. in effet, lorsque des vitrages isolants ou des capteurs solaires ont des pertes thermiques globales d'environ 0,3 W/m2/degré, on peut montrer aisément que le bilan énergétique, entre l'apport solaire et les pertes totales, est très largement positif, même en décembre et sur tout le territoire français. Le chauf fage solaire intégral toute l'année est donc envisageable pour les serres et pour les habitations ; d'autre part, étant donné le rendement élevé de ces panneaux, la capacité de stockage nécessaire restera faible et non contraignante.En outre, ces panneaux permettent également de collecter l'énergie à température assez élevée tant en ayant de bon rendements ; les avantages sont nombreux : optimisation des capacités de stockages, utilisation industrielle directe d'eau très chaude, meilleur rendement des divers "moteurs solaires", etc ... in ce qui concerne les vitrages isolants, leurs caractéristiques permettraient la réalisation de serres chaudes dont la température intérieure serait maintenue toute l'année entre + 25 et + 30 degrés centigrades unique ment par l'énergie solaire; à l'intérieur de telles serres, on pourrait pra tiquer des cultures de plantes équatoriales à grande vitesse de développement donc de grande rentabilité.Ces vitrages isolants permettront également la réa lisation de serres d'habitations intégralement "solaire" ; en outre, l'utili sation de panneaux composites, voir figure II, permettrait la régulation thermique et lumineuse de ces serres d'habitations, une commande électrique permettrait de faire varier l'opacité de ces panneaux et meme de les occulter complètement. Un projet d'utilisation de ces vitrages isolants est actuellement en cours d'élaboration. Il s'agit d'associer un digesteur méthanique à une serre équatoriale dans laquelle on pratiquerait une culture de plantes aquatiques, comme la jacinthe d'eau par exemple. Le digesteur fournira le nécessaire à la photosynthèse et les effluents liquides serviront d'engrais pour ces plantes. L'eau nécessaire à la culture aquatique servira également de stockage d'énergie. A surface égale, de telles cultures pourraient produire entre 50 et I50 fois plus de protéine qu'un champ de mais. REVENDICATIONS I. Dispositif permettant la réalisation de panneaux e grande surface ayant de très faibles pertes thermiques, destinés à la réalisation : de vitrages isolants, de capteurs solaires et de panneaux d'isolations thermiques, - caractéri sé par le fait qu'il comporte simultanément - des moyens pour avoir de très faibles pertes thermiques par conduction entre leurs deux cloisons. - des moyens pour avoir de très faibles pertes thermiques par rayonnement entre leurs deux cloisons. - des moyens pour avoir de très faibles thermiques par convection entre leurs deux cloisons. 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que 1' un des moyens de réduire les pertes thermiques par convection entre les deux cloisons consiste à établir le vide, ou une faible pression entre ces deux cloisons malgré leurs grandes surfaces. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que 1' un des moyens permettant d'établir le vide entre les deux cloisons, consiste à placer entre ces deux cloisons une structure résistante de soutien répartie sur toute la surface, se présentant sous forme de petits piliers assez rappro chés les uns des autres et travaillant à la compression pour supporter la pres sion atmosphérique s'exerçant sur les deux cloisons. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par lefait que la structure résistante de soutien est constituée d'un assemblage d'éléments moulés, prévus à cet usage, ayant des caractéristiques physiques adéquates : bonne résis tance à la compression, faible conduction thermique et coefficient d'absorption faible pour les rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges. 5. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que 1' un des moyens de réduire les pertes thermiques par rayonnement entre les deux cloisons consiste à faire en sorte que : soit la face intérieure froide, soit les deux, présentent un grand coefficient de réflexion dans l'infrarouge lointain. 6. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'un des moyens de réduire les pertes thermiques par rayonnement entre les deux cloi sons, consiste à faire en sorte que la face intérieure chaude présente un faible pouvoir émissif dans l'infrarouge lointain. 7. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que l' un des moyens de réduire les pertes thermiques par rayonnement entre le4 deux cloisons consiste à faire en sorte que la face intérieure chaude présente un fai Gle pouvoir émissif dans l'infrarouge lointain et que la face froide présente un grand coefficient de réflexion également dans l'infrarouge lointain. 8. Dispositif selon les revendications I, 2, 3, et 4 prises ensemble, plus l'une quelconque des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait que les deux cloisons sont transparentes à la plus grande partie du rayonnement solaire, et que le panneau ainsi constitué est un vitrage isolant. 9. Dispositif selon les revendications I, 2, 3 et 4 prises ensemble, plus l'une quelconque des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait que les deux cloisons sont opaques et que le panneau ainsi constitué est un "cloison" 'isolation thermique. IO. Disposi-tif selon les revendications I, 2, 3, 4, et 8, prises ensemble, plus l'une quelconque des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'un absorbeur refroidi par un fluide caloporteur est placé entre les deux cloisons transparentes et que le panneau ainsi constitué est un capteur solaire à double face. 11. Dispositif selon les revendications I et 8, prises ensemble, caractérisé par le fait que les cloisons transparentes sont souples, et supportent la pression atmosphérique comme une membrane travaillant à la traction. I2. Dispositif selon les revendications I et 8 prises ensemble, ou I et 9 prises ensemble, caractérisé par le fait que l'ensemble du panneau est obtenu par extrudage d'une matière appropriée.