ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ ПАНЕЛЬ
HEAT-INSULATION PANEL

Область техники
Настоящее изобретение относится к области теплоизоляции зданий. В частности, настоящее изобретение относится к области вакуумной теплоизоляции с откачанным воздухом или газом.
Уровень техники
Более 20 лет концепцию вакуумной изоляции применяют в различных сферах, в том числе и в области изоляции зданий. Однако первые случаи использования в промышленности, главным образом, были связаны с сохранением холода (холодильные установки, морозильные камеры, охлаждаемые контейнеры и т.д.). На самом деле из существующих технологий теплоизоляции, применяемых на суше, только вакуумная изоляция позволяет получить минимальные уровни теплопроводности, которые обеспечивают возможность минимизации толщины изоляции при заданном термическом сопротивлении.
Применение вакуумной изоляции для теплоизоляции зданий впервые стали рассматривать в качестве темы для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ фактически лишь в конце 1990-х годов, когда политические решения в области охраны окружающей среды вызвали повышенный интерес к теме эффективности использования энергетических ресурсов в данной отрасли.
Значительные масштабы энергопотребления зданиями, существующими в промышленно развитых странах, требуют резкого усовершенствования теплоизоляции непрозрачных стен таких зданий. Таким образом, идея использования изоляции, обладающей чрезвычайно низкой теплопроводностью (менее 10 мВт/м·К) и, соответственно, чрезвычайно малой толщиной при заданном термическом сопротивлении, представляется очевидным решением для задачи по ограничению тепловых потерь на непрозрачных стенах существующих жилых помещений.
В результате, были разработаны конструкции изоляционных панелей, содержащих сердцевину из материала с низкой теплопроводностью, заключенную в воздухонепроницаемую защитную оболочку с полностью откаченным воздухом, причем указанные изоляционные панели можно отнести к сверхизоляционным изделиям по сравнению с традиционными изоляционными изделиями. Кроме того, можно выделить несколько групп изделий в зависимости от типа оболочки, материала сердцевины и способа поддержания вакуума с течением времени.
Например, в зависимости от типа оболочки можно выделить две группы изделий: во-первых, группу металлических оболочек, в которых герметичность по существу обеспечена металлическими пластинами из стали или алюминия, а во-вторых, группу, в которую входят все остальные виды оболочек. При этом все чаще используются оболочки, состоящие из чередующихся пластмассовых и металлических (или металлизированных) полимерных слоев.
Что касается материала сердцевины, то отличие, главным образом, состоит в том, является ли материал сердцевины наноструктурированным пористым материалом. С функциональной точки зрения наноструктурированные материалы, в отличие от других материалов, менее чувствительны к повышению давления в вакуумной панели. В связи с этим материалы данной группы обеспечивают возможность сохранения высоких тепловых характеристик даже в случае наличия мест протечки (возникновение которых на практике неизбежно) и проникновения газов в изделие во время его эксплуатации.
В зависимости от способа поддержания вакуума можно выделить две группы изоляционных панелей. Согласно первому, наиболее распространенному способу вакуум создают на этапе изготовления изделия, причем рассчитывают на то, что материал сердцевины и герметичность оболочки обеспечат дальнейшее поддержание вакуума на уровне, достаточном для того, чтобы изделие сохраняло свои теплоизоляционные свойства в течение продолжительного периода времени. Под продолжительным периодом времени следует понимать срок годности покрытия здания, то есть примерно 10-40 лет. Внутри данной группы также можно выделить изделия, в которых в материале сердцевины используют так называемый «газопоглотитель» (капсулу с молекулярной сеткой, улавливающую газ, присутствующий внутри изделия, для поддержания высокого вакуума до тех пор, пока не наступит вакуумное насыщение, которое не позволит ей дальше выполнять указанную функцию), и изделия, в которых такой «газопоглотитель» отсутствует. Ко второй группе относятся вакуумные изоляционные изделия, в которых вакуум постоянно поддерживается посредством вакуумного насоса, соединенного с указанным изделием.
Известные решения данного типа, используемые для теплоизоляции зданий, обладают многочисленными недостатками.
Отметим три основных недостатка, имеющих разную природу.
Первый из указанных недостатков связан с областью перехода между изоляционным изделием и изолируемой стеной. Фактически, создание вакуума в пористом материале и заключение указанного материала в воздухонепроницаемую оболочку обеспечивают возможность изготовления изделия с высокими изоляционными свойствами, причем теплопроводность такого изделия может постоянно оставаться на уровне менее 10 мВт/м·К. Однако такие свойства относятся лишь к сердцевине или корпусу изделия. В то же время герметичную оболочку, в которую заключена сердцевина, всегда изготавливают из металлического или металлизированного материала. В результате она образует тепловой мост (путем теплопередачи) на кромках изделия. Таким образом, в случае соединения нескольких изделий в ряд для образования изолирующей стенки уровень теплоизоляции собранного узла, с учетом указанных тепловых мостов, окажется значительно меньше уровня теплоизоляции сердцевины изделия. Очевидно, что таким способом можно изготавливать сверхизоляционные изделия, однако обеспечить сверхизоляцию посредством таких сверхизоляционных изделий гораздо труднее. Одно из возможных решений описанной проблемы состоит в изготовлении изделий больших размеров для ограничения негативного воздействия их кромок, но в таком случае процессы их производства и, в частности, этапы откачки газа и герметизации оболочки, становятся чрезвычайно длительными, сложными и дорогостоящими.
Второй недостаток связан с наличием материала сердцевины. Так, даже в случае создания абсолютного вакуума внутри изделия существует теплопередача проводимостью через твердую наноструктурированную матрицу материала сердцевины. Указанное явление, неизбежное в изделиях такого типа, неминуемо ограничивает теплопроводность, минимальное достижимое значение которой может составлять примерно 5 мВт/м·К.
Последний недостаток состоит в том, что такое изделие может быть использовано только в качестве теплоизоляционного элемента. Даже в случае поддержания вакуума, когда уровень вакуума можно скорректировать для управления теплопроводностью изделия, может быть обеспечен весьма ограниченный диапазон теплопроводности, который на практике составляет в лучшем случае от 5 мВт/м·К для откачанного состояния до менее 30 мВт/м·К при атмосферном давлении. Такой диапазон недостаточен для постоянного регулирования теплопроводности оболочки так, чтобы она гарантировала высокий уровень изоляции в случае необходимости сохранения тепла или холода внутри здания, а также для того, чтобы она практически не обеспечивала изоляцию в случае, когда, напротив, необходимо позволить теплу или холоду проникнуть в здание извне.
Примеры известных теплоизоляционных устройств раскрыты в документах US-A-3968831, US-A-3167159, DE-A-19647567, US-A-5433056, DE-A-1409994, US-A-3920953, SU-A-2671441, US-A-5014481, US-A-3463224 и DE-A-4300839.
Другой научный подход к изготовлению устройств с управляемой теплоизоляцией, то есть устройств, предназначенных для регулирования теплопроводности, предложен в документах US-A-3734172 и WO-A-03/054456.
В документе US-A-3734172, опубликованном в 1973 г., раскрыто устройство, содержащее стопку гибких листов 10, расстояние между которыми может быть изменено электростатическими силами во время приложения регулируемых электрических напряжений попеременно противоположных полярностей между указанными листами посредством генератора 12 и соединенного с ним переключателя 14, что схематично показано на фиг. 1.
На практике такое устройство не имело последующего промышленного развития в связи с отсутствием убедительных результатов.
Авторами документа WO-A-03/054456 была предпринята попытка исправить сложившуюся ситуацию путем предложения устройства, тип которого проиллюстрирован на фиг. 2. Как показано на чертеже, указанное известное устройство содержит панель, ограниченную двумя перегородками 20, 22, разделенными распорками 24 и задающими камеру 30, находящуюся под давлением окружающей среды или пониженным давлением и вмещающую в себя деформируемую мембрану 32. Указанная мембрана 32 точечно соединена с первой перегородкой 20 в теплоизолирующей точке 34. Кроме того, она зажата между распорками 24 и второй перегородкой 22. Как видно из фиг. 2a, при одновременном создании потенциалов противоположной полярности на мембране 32 и второй перегородке 22 и потенциалов одинаковой полярности на первой перегородке 20 и мембране 32 указанная мембрана оказывается прижатой ко второй перегородке 22. Напротив, как видно из фиг. 2b, при одновременном создании потенциалов противоположной полярности на мембране 32 и первой перегородке 20 и потенциалов одинаковой полярности на второй перегородке 22 и мембране 32 указанная мембрана оказывается прижатой к первой перегородке 20. При этом переключение состояния мембраны 32 обеспечивает возможность управляемого изменения теплопроводности между указанными перегородками 20 и 22.
Столкнувшись с затруднениями, выявленными во время испытаний указанного устройства, показанного на фиг. 2, авторы в том же самом документе WO-A-03/054456 предложили усовершенствованное устройство, проиллюстрированное на фиг. 3 и содержащее V-образный дефлектор 40, расположенный в основании распорок 24 со стороны второй перегородки 24, и U-образные арки 42, расположенные на первой перегородке 20.
Однако указанные попытки усовершенствовать данное устройство не привели к его реальному промышленному развитию.
Незаинтересованность предприятий-изготовителей в указанном устройстве, несмотря на существующую острую потребность в средствах теплоизоляции зданий, в значительной степени связана со сложностью данного изделия, очевидной при простом рассмотрении фиг. 3.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить новое теплоизоляционное устройство, которое превосходит известные из уровня техники решения, в частности, с точки зрения стоимости, возможностей промышленного применения, производительности и надежности.
В частности, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить новые средства, позволяющие изготовить теплоизоляционное устройство, обеспечивающее возможность переключения между режимом высокой теплоизоляции и режимом меньшей теплоизоляции или относительной теплопроводности.
Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении предложено теплоизоляционное устройство, в частности, для зданий, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере одну панель, имеющую две стенки, разделенные основной периферической распоркой и образующие газонепроницаемую камеру с пониженным давлением, и по меньшей мере две гибкие пленки, расположенные внутри указанной камеры, локально прикрепленные к вторичным распоркам в промежуточных точках между двумя стенками и совместно ограничивающие вторичные воздухонепроницаемые ячейки, причем последовательное создание потенциалов выбранной полярности между стенками и гибкими пленками приводит к перемещению гибких пленок между первым положением теплоизоляции, в котором гибкие пленки, имеющие одинаковый электрический потенциал, полярность которого противоположна полярности электрического потенциала стенок, отделены друг от друга и находятся в контакте со стенками, причем давление в указанных вторичных ячейках, образованных между пленками, ниже давления, существующего в камере вне ячеек, и вторым положением, в котором пленки отделены от стенок и находятся в контакте друг с другом по меньшей мере на значительной части своей поверхности, причем в указанном втором положении теплоизоляционные свойства ниже, чем в указанном первом положении.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения станут ясны из приведенного ниже подробного описания неограничивающих вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 схематично показано теплоизоляционное устройство, раскрытое в документе US-A-3734172.
На фиг. 2a и 2b проиллюстрированы два состояния описанного выше устройства, раскрытого в документе WO-A-03/054456 и выполненного согласно первому варианту исполнения.
На фиг. 3a и 3b схематично проиллюстрированы два аналогичных состояния описанного выше устройства, раскрытого в документе WO-A-03/054456 и выполненного согласно второму варианту исполнения.
На фиг. 4 и 5 схематично в поперечном разрезе проиллюстрированы два состояния предлагаемого в настоящем изобретении базового теплоизоляционного устройства.
На фиг. 6 показано предлагаемое в настоящем изобретении усовершенствованное устройство.
На фиг. 7 представлен сборный узел из нескольких предлагаемых в настоящем изобретении базовых панелей, соединенных встык.
На фиг. 8 проиллюстрировано наложение нескольких панелей предлагаемого теплоизоляционного устройства.
На фиг. 9 и 10 проиллюстрировано два состояния теплоизоляционного устройства согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 4 и следующих прилагаемых чертежах показана предлагаемая в настоящем изобретении теплоизоляционная панель 100, содержащая две основные стенки 110, 120, разделенные основной периферической распоркой 102 с образованием газонепроницаемой камеры 104. В камере 104 создан вакуум, то есть давление внутри указанной камеры меньше атмосферного давления. Как правило, внутреннее давление в камере 104 составляет порядка нескольких паскалей, предпочтительно от 1 Па до 1000 Па, наиболее предпочтительно примерно 10 Па.
Указанная камера 104 вмещает в себя по меньшей мере две пленки 150, 160. При этом указанные пленки 150, 160 являются гибкими. Они расположены параллельно указанным стенкам 110, 120. Гибкие пленки 150, 160 локально прикреплены к вторичным распоркам 140, расположенным между указанными стенками 110, 120, в промежуточных точках между двумя стенками 110, 120.
В частности, указанные пленки 150, 160 предпочтительно прикреплены к распоркам 140 на середине расстояния между двумя стенками 110, 120. Гибкие пленки 150, 160 подвержены деформированию, как будет описано ниже, на участках между двумя соседними распорками 140.
Пленки 150, 160 ограничивают расположенные между ним газонепроницаемые ячейки 158, в которых поддерживают регулируемый уровень вакуума.
Поскольку пленки 150, 160 расположены на середине расстояния между стенками 110, 120, они разделяют камеру 104 на две подкамеры 104a и 104b, расположенные соответственно с обеих сторон указанных ячеек 158.
Предпочтительно предусмотрены средства 103 сообщения, обеспечивающие возможность сообщения по текучей среде между указанными подкамерами 104a и 104b. Кроме того, такие средства 103 сообщения предпочтительно обеспечивают возможность сообщения по текучей среде между средствами 190 регулирования давления, например, представляющими собой компрессор или другие аналогичные средства, и указанной камерой 104.
Разумеется, указанные распорки 102 и 140 изготовлены из теплоизолирующего материала, чтобы исключить вероятность образования теплового моста между стенками 110 и 120. Таким образом, указанные распорки 102, 140 предпочтительно изготовлены из термопластического материала.
Работа предлагаемого устройства, схематично показанного на фиг. 4 и 5, происходит, по существу, следующим образом.
Под номером позиции 195 на фиг. 4 схематично показан генератор, выполненный с возможностью создания потенциалов заданной полярности, соответственно на пленках 150, 160 и на стенках 110, 120.
При создании потенциалов противоположной полярности между пленками 150, 160 и потенциалов одинаковой полярности соответственно между каждой из пленок 150, 160 и противолежащей стенкой 110, 120 указанные две пленки 150, 160 прижимаются друг к другу на середине толщины камеры 104, как показано на фиг. 4. Таким образом, они приходят в контакт друг с другом по меньшей мере на значительной части своей поверхности, находясь при этом на расстоянии от стенок, то есть они отделены от указанных стенок 110, 120. В данном положении контакт пленок 150, 160 обеспечивает возможность теплопередачи между ними за счет теплопроводности.
В рамках настоящего изобретения под выражением «значительная часть» понимают по существу большую часть поверхности пленок 150, 160, как правило, превышающую по меньшей мере 90% площади указанной поверхности, причем остальные участки поверхностей пленок 150, 16 не приходят в такой взаимный контакт из-за наличия остаточных молекул газа при чрезвычайно низком давлении, присутствующих в ячейках 158.
Напротив, при создании потенциалов одинаковой полярности между пленками 150, 160 и потенциалов противоположной полярности соответственно между каждой из пленок 150, 160 и противолежащей стенкой 110, 120, как показано на фиг. 5, пленки 150, 160 приходят в контакт с соответствующей стенкой 110, 120. В таком положении пленки 150, 160 отделены друг от друга по всей поверхности за единственным исключением области их общего зажима на уровне распорок 140. Таким образом, пленки 150, 160 разделены слоем воздуха при чрезвычайно низком давлении и находятся в положении, в котором они обеспечивают теплоизоляцию.
-3
-4
В данном состоянии давление в ячейках 158 между пленками 150, 160 ниже давления, действующего в подкамерах 104a и 104b, расположенных снаружи от пленок 150, 160, предпочтительно ниже 1 Па или, как правило, составляет от 10 до 10 Па.
Напряжение, приложенное к устройству, соответствует следующему отношению:
5
1/2
r
V/e=3,4·10(p/ε), где:
V - электрический потенциал,
e - исходное расстояние между внешними сторонами деформируемых гибких пленок 150, 160 и поверхностью противолежащих пластин 110, 120,
p - внутреннее давление в камере 104, и
r
ε - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей камеру 104.
Могут быть предусмотрены различные варианты осуществления стенок 110, 120, образующих панель 100.
Стенки 110, 120 могут быть жесткими. В другом варианте осуществления они могут быть гибкими. В таком случае панель 100 может быть свернута в рулон, что облегчает ее транспортировку и складирование.
Стенки 110, 120 могут быть по меньшей частично электропроводящими для обеспечения возможности приложения электрического поля, создающего электростатические силы, необходимые для переключения положения пленок 150, 160.
Стенки 110, 120 могут быть изготовлены из металла.
Они также могут быть изготовлены из композитного материала, например, в виде электроизолирующего слоя, соединенного с электропроводящим слоем (из металла или материала, содержащего электропроводящие частицы).
По аналогии, гибкие пленки 150, 160 по меньшей мере частично можно выполнить электропроводящими для обеспечения возможности приложения электрического поля, необходимого для создания вышеупомянутых электростатических сил.
Как правило, гибкие пленки 150, 160 изготовлены из листа гибкого металла или термопластического или аналогичного материала, содержащего электропроводящие частицы.
Как видно из фиг. 6, каждая из гибких пленок 150, 160 предпочтительно образована электропроводящей сердцевиной 152, 162, содержащей на обеих сторонах покрытие 154, 156, 164, 166 из электроизолирующего материала (например, термопластического материала).
Следует отметить, что в рамках настоящего изобретения необходимо обеспечить электрическую изоляцию, с одной стороны, между пленками 150, 160, а с другой стороны, между каждой из пленок 150, 160 и стенками 110, 120 во избежание возникновения между указанными элементами короткого замыкания при последовательном приложении к ним напряжений.
Электроизолирующие слои 154, 156, 164, 166, показанные на фиг. 6, обеспечивают такую электрическую изоляцию. В другом варианте осуществления данная функция может быть выполнена по меньшей мере в отношении электрической изоляции, необходимой между стенками 110, 120 и гибкими пленками 150, 160, посредством аналогичных элементов, предусмотренных на стенках 110, 120.
На фиг. 7 проиллюстрировано модульное расположение нескольких предлагаемых в настоящем изобретении панелей 100, соединенных встык по кромке. Как видно из фиг. 7, для обеспечения целостности изоляции предпочтительно предусмотрены перекрывающие элементы 106, встроенные в стенки 110, 120 панели 100 и выполненные с возможностью наложения на смежную панель. В другом варианте осуществления такие перекрывающие элементы 106 могут быть предусмотрены на вставках, расположенных на уровне стыков между двумя смежными панелями 100.
На фиг. 8 также проиллюстрировано несколько предлагаемых в настоящем изобретении панелей, уложенных одна на другую для усиления теплоизоляции.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено вышеописанными конкретными вариантами осуществления, но также охватывает и любые другие варианты, соответствующие сущности настоящего изобретения.
Предлагаемое устройство обеспечивает высокий уровень теплоизоляции благодаря наличию вакуума в камере 104 и низкого давления в ячейках 158 между пленками 150 и 160, когда они находятся в разделенном положении.
Внутри указанной камеры 104 предпочтительно предусмотрены средства 190 для поддержания вакуума (например, на основе насосов, приводимых в действие последовательно или автоматически, или же на основе материалов, обеспечивающих поглощение газов, как раскрыто выше).
Использование двух теплоизолирующих пленок 150, 160 позволяет усилить эффект теплового барьера, то есть снизить теплопроводность по сравнению с некоторыми из известных технических решений.
Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность изготовления устройства с малой суммарной толщиной, что позволяет применять его для внутренней изоляции. Максимальная толщина предлагаемого устройства, как правило, составляет несколько миллиметров.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение способствует созданию управляемой системы вакуумной изоляции очень малой толщины, обладающей чрезвычайно высокими тепловыми характеристиками.
Пленки 150, 160 предпочтительно изготовлены из материала с низким уровнем излучения в инфракрасной области спектра или обработаны для уменьшения уровня излучения в инфракрасной области спектра. Так, пленки 150, 160 имеют коэффициент излучения (заданный как отношение излучения указанных пленок к излучению черного тела) менее 0,1 для длин волн более 0,78 мкм.
Управление электрическим полем, прикладываемым между пленками 150 и 160, а также между пленками 150, 160 и стенками 110, 120, позволяет либо удерживать пленки в контакте друг с другом или на чрезвычайно малом расстоянии, как показано на фиг. 4, придавая системе относительную теплопроводность, либо позволяет разделять пленки 150 и 160, придавая системе теплоизолирующие свойства, как показано на фиг. 5.
Таким образом, в состоянии тепловой проводимости, проиллюстрированном на фиг. 4, предлагаемое устройство позволяет, например, получать солнечную энергию от стен в зимнее время или охлаждать стены летом, когда снижение внешней температуры допускает такую возможность.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения все компоненты предлагаемого устройства, то есть стенки 110, 120 и пленки 150, 160, могут быть оптически прозрачными в видимой области спектра (0,4-0,8 мкм). Таким образом, предлагаемое устройство может быть использовано на прозрачных стенках, например, устанавливаемых перед солнечными датчиками.
В частности, следует отметить, что все известные устройства, в которых используют плотную сердцевину, не допускают возможности такой оптической прозрачности.
Теплоизоляционные панели согласно настоящему изобретению также могут выполнять декоративную функцию.
При использовании предлагаемого устройства на пропускающих тепло стенах здания может быть предусмотрено регулирование теплоизоляции для оптимизации потоков, поступающих извне (солнечной энергии зимой и холода летом). Таким образом, в противоположность известным в настоящее время концепциям отопления или кондиционирования воздуха, в которых внутренняя установка компенсирует тепловые потери или приток тепла через оболочку, настоящее изобретение позволяет получить систему, регулирующую такие тепловые потери или приток тепла для поддержания комфортных условий внутри здания. Разумеется, такое регулирование может быть осуществлено в автоматическом режиме посредством соответствующих тепловых датчиков.
Настоящее изобретение также может быть использовано для полного управления тепловой инерцией стен зданий в масштабах, до сих пор недостижимых.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено конкретным вышеописанным применением в области теплоизоляции зданий. Настоящее изобретение, обеспечивающее высокую степень электроизоляции, не зависящую от толщины устройства и допускающую использование чрезвычайно малой толщины, может быть применено во многих областях техники.
В частности, настоящее изобретение может быть использовано в изготовлении покрытий или в любых других областях техники, в которых необходимо обеспечение теплоизоляции.
Как было указано выше, настоящее изобретение не ограничено конфигурацией, в которой предусмотрены две пленки 150, 160, расположенные внутри камеры 104. Так, на фиг. 9 и 10 проиллюстрирован вариант осуществления настоящего изобретения, в котором предусмотрены три смежные пленки 150, 160 и 170, расположенные на середине расстояния между стенками 110, 120.
При поочередном создании противоположных потенциалов между каждой парой смежных пленок 150, 160 и 170 и одновременном создании на крайних пленках 150, 170 потенциалов, одинаковых с потенциалами, создаваемыми на соответствующих противолежащих стенках 110, 120, пленки приходят в контакт друг с другом на значительной части своей поверхности, как показано на фиг. 9, причем устройство переходит в состояние относительной теплопроводности.
В то же время при создании на пленках 150, 160 и 170 одинаковых потенциалов, которые противоположны потенциалам, создаваемым на соответствующих противолежащих стенках 110, 120, пленки 150, 160 и 170 оказываются отделенными друг от друга слоем воздуха. Внешние пленки 150, 170 прижаты к стенкам 110, 120 и отделены от центральной пленки или центральных пленок 160. В таком случае устройство переходит в теплоизолирующее состояние, вызванное разделением пленок.