ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
HEAT INSULATING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области теплоизоляции зданий.
Уровень техники
В течение многих лет, но в особенности в течение двух последних десятилетий, в данной области идут многочисленные исследования, что отражает важность существующих в ней задач.
Использование сверхизолирующих материалов, т.е. обладающих более высокими изолирующими качествами, чем воздух, предпочтительно как при строительстве новых зданий, так и при обновлении существующих.
В соответствии с теоретическими моделями минимальная теплопроводность классических изолирующих материалов (состоящих из твердой матрицы, заполненной воздухом) составляет порядка 29 мВт/(м⋅К). Данный минимум достигнут в настоящее время в результате постепенного совершенствования в течение сорока лет, прошедших с момента начала изготовления таких материалов. Для достижения значительного прогресса в данной области и, в частности, для преодоления порога теплопроводности воздуха (25 мВт/(м⋅К)) необходимо изменение термической концепции. Могут быть выдвинуты различные пути решения данной задачи, которые приводят к различным концепциям теплоизоляции, связанным с увеличением энергопотребления и сложности эксплуатации.
В частности, можно отметить:
- наноструктурные материалы, позволяющие разрабатывать сверхизолирующие системы, действующие при атмосферном давлении, и
- эксплуатацию крайне высоких изолирующих свойств вакуума, которые в сочетании с использованием наноструктурных материалов составляют концепцию вакуумных теплоизолирующих панелей.
Примеры известных систем теплоизоляции можно найти в патентных документах US-A-3968831, US-A-3167159, DE-A-19647567, US-A-5433056, DE-A-1409994, US-А-3920953, SU-A-2671441, US-A-5014481, US-A-34363224, DE-A-4300839.
В патентном документе US-A-5014481 предлагается устройство, содержащее кессон, внутренний объем которого разделен на множество слоев или воздушных промежутков набором параллельных гибких листов. В соответствии с данным документом, такое устройство обладает теплопроводящей конфигурацией, когда листы прижаты друг к другу, и, напротив, теплоизолирующей конфигурацией, когда листы разделены. Хотя такое решение теоретически выглядит привлекательным, поскольку обеспечивает возможность переключения между двумя состояниями, обладающими разными теплопроводящими свойствами, при помощи средств управления текучего типа, оно не получило практического развития. Действительно, такое решение представляет интересные теплоизоляционные свойства только при условии наличия большого числа гибких листов, ограничивающих большое количество слоев или воздушных промежутков. Однако такое устройство отличается сложностью в изготовлении, громоздкостью и высокой стоимостью.
Другое направление исследований для создания устройства регулируемой теплоизоляции, т.е. выполненное с возможностью управляемого изменения теплопроводности, было предложено в патентных документах US-A-3734172 и WO-A-03/054456.
Патентный документ US-A-3734172, опубликованный в 1973 г., предлагает устройство, содержащее набор гибких листов, расстояние между которыми может быть изменено электростатическими силами при приложении между такими листами контролируемого электрического напряжения при помощи присоединенных генератора и переключателя.
Такая конструкция не получила на практике никакого последующего промышленного внедрения в связи с отсутствием убедительных результатов.
В документе WO-A-03/054456 была предпринята попытка улучшения данной ситуации путем предложения устройства, содержащей панель, ограниченную двумя перегородками, разделенными распорками и ограничивающими камеру, в которой установлено внешнее или пониженное давление и в которой расположена деформируемая мембрана. Мембрана время от времени приходит в контакт с первой перегородкой в термически изолированной точке. Кроме того, мембрана зажата между распорками и второй перегородкой. Одновременное приложение к мембране и второй перегородке потенциалов противоположной полярности, а к первой перегородке и мембране - потенциалов одинаковой полярности вызывает прижатие мембраны ко второй перегородке. Напротив, одновременное приложение к мембране и первой перегородке потенциалов противоположной полярности, а ко второй перегородке и мембране - потенциалов одинаковой полярности вызывает прижатие мембраны к первой перегородке. Предполагается, что получаемые таким образом изменения положения мембраны теоретически позволяют регулировать теплопроводность между двумя перегородками.
В самом документе WO-A-03/054456 было предложено усовершенствование данного устройства, содержащего V-образный дефлектор, расположенный в основании распорок со стороны второй перегородки, и U-образные опоры, расположенные на первой перегородке.
Однако эти попытки усовершенствования не обеспечили возможности реального промышленного внедрения данного устройства.
Незаинтересованность производителей в таком изделии, несмотря на существование острой потребности в средствах теплоизоляции зданий в значительной степени связана со сложностью данного изделия, очевидной из ее простого визуального рассмотрения.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в предложении нового теплоизоляционного устройства, превосходящего известные решения, особенно, с точки зрения стоимости, возможностей промышленного изготовления, эффективности и надежности.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается теплоизоляционное устройство, в частности, для зданий, содержащее по меньшей мере одну панель, содержащую две стенки, разделенные внешней основной распоркой и образующие газонепроницаемую камеру, и по меньшей мере две гибкие пленки, расположенные внутри указанной камеры и выполненные с возможностью избирательного перехода между двумя состояниями: теплопроводящим состоянием, в котором указанные гибкие пленки по меньшей мере частично находятся во взаимном контакте, и теплоизолирующим состоянием, в котором гибкие пленки отделены одна от другой, под влиянием разных давлений внутри указанной герметичной камеры, создаваемых средствами управления текучей средой, отличающееся тем, что в теплоизолирующем состоянии расстояние, разделяющее две гибкие пленки, меньше средней длины свободного пробега молекул газа, занимающего объем, ограниченный между указанными гибкими пленками.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается способ управления теплоизоляцией путем изменения давления внутри газонепроницаемой внутренней камеры панели, содержащей две стенки, разделенные внешней основной распоркой и образующие газонепроницаемую камеру, и по меньшей мере две гибкие пленки, расположенные внутри указанной камеры и выполненные с возможностью избирательного перехода между двумя состояниями: теплопроводящим состоянием, в котором указанные гибкие пленки по меньшей мере частично находятся во взаимном контакте, и теплоизолирующим состоянием, в котором гибкие пленки отделены одна от другой, под влиянием изменений давления внутри указанной герметичной камеры, вызываемых средствами управления текучей средой, отличающийся тем, что включает в себя этапы, на которых давление в указанной герметичной камере панели изменяют между повышенным давлением, при котором пленки приходят во взаимный контакт на существенной части своей поверхности для перевода устройства в теплопроводящее состояние, и пониженным давлением, при котором давление р в ячейках, образованных между пленками, вызывает расхождение пленок на расстояние, меньшее  где k - постоянная Больцмана, d - диаметр молекул газа, а Т - абсолютная температура, для перевода устройство в теплоизолирующее состояние, причем расстояние между гибкими пленками меньше средней длины свободного пробега молекул газа, занимающего объем, образованный между указанными гибкими пленками.
2
Как будет видно из нижеследующего описания, настоящее изобретение позволяет получить теплоизолирующие элементы, выполненные с возможностью изменения их теплового сопротивления от практически нулевого значения до чрезвычайно высокого значения, как правило, составляющего порядка или более 10 м⋅К/Вт, при чрезвычайно малой толщине, например по меньшей мере меньшей 1 см.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики, задачи и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания неограничивающих примеров его осуществления, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
- на прилагаемых фиг. 1 и 2 схематически представлены в разрезе два состояния базового теплоизоляционного устройства по настоящему изобретению,
- на фиг. 3 представлено усовершенствованное устройство по настоящему изобретению,
- на фиг. 4 представлен другой вариант устройства по настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 и последующих прилагаемых чертежах представлена теплоизоляционная панель 100 по настоящему изобретению, содержащая две основные стенки 110, 120, разделенные внешней основной распоркой 102 с образованием герметичной камеры 104.
Толщина распорки 102 и, следовательно, камеры 104, измеренная в направлении, перпендикулярном стенкам 110 и 120, значительно меньше двух размеров, ориентированных параллельно стенкам 110 и 120.
В камере 104 установлено пониженное давление, т.е. давление, меньшее атмосферного, или атмосферное давление. Как правило, при установлении в камере 104 пониженного давления, давление в ней составляет несколько паскалей, например порядка 10 Па.
В камере 104 размещены по меньшей мере две пленки 150, 160. Пленки 150, 160 представляют собой гибкие пленки. Они проходят параллельно стенкам 110, 120, предпочтительно приблизительно на середине толщины камеры 104.
Внешний край пленок 150, 160 закреплен, например зажат, внешней распоркой 102 с помощью средств, гарантирующих газонепроницаемость в данной точке.
Основные стенки 110, 120 и/или пленки 150, 160 могут быть оптически непрозрачными или оптически прозрачными по меньшей мере в видимой области (для длин волн от 0,4 до 0,8 мкм).
В оптимальном варианте осуществления пленки 150, 160 выполнены из материала, обладающего низким уровнем излучения в инфракрасной области. Поэтому пленки 150, 160 имеют коэффициент излучения (определенный как отношение уровня излучения указанных пленок к уровню излучения черного тела), меньший 0,1, а предпочтительно меньший 0,04, для длин волн более 0,78 мкм.
Как будет более подробно описано ниже, пленки 150 и 160 отделены одна от другой и ограничивают расположенные между ними герметичные ячейки 158.
Давление, поддерживаемое в ячейках 158, ограниченных гибкими пленками 150, 160, предпочтительно ниже, чем среднее давление, преобладающее в камере 104.
Точнее, в соответствии с изобретением и как будет подробно описано ниже, в теплоизолирующем состоянии, схематически представленном на фиг. 1, расстояние d1, разделяющее гибкие пленки 150, 160, меньше средней длины свободного пробега молекул газа, занимающего объем, ограниченный между гибкими пленками 150, 160.
Как будет более подробно описано ниже, данная характеристика позволяет получить устройство, обладающее чрезвычайно высокими теплоизоляционными качествами без чрезмерного увеличения его толщины.
Поскольку пленки 150, 160 расположены на середине расстояния между стенками 110, 120, они разделяют камеру 104 на две подкамеры 104а и 104b, расположенные по разные стороны от ячеек 158.
Кроме того, в соответствии с изобретением камера 104 соединена со средствами 170 регулирования давления, которые позволяют, изменяя давление внутри камеры 104, избирательно производить переключение между двумя состояниями устройства: проиллюстрированным на фиг. 1 теплоизолирующим состоянием, в котором гибкие пленки 150 и 160 отделены одна от другой, и проиллюстрированным на фиг. 2 теплопроводящим состоянием, в котором гибкие пленки 150 и 160 приведены в по меньшей мере частичный взаимный контакт.
А именно, переход из теплоизолирующего состояния, проиллюстрированного на фиг. 1, в теплопроводящее состояние, проиллюстрированное на фиг. 2, осуществляют путем увеличения давления внутри камеры 104 под воздействием средства 170.
Для этого, как показано на фиг. 2, средство 170 предпочтительно сообщается с обеими подкамерами 104а, 104b, образующими камеру 104 и расположенными по разные стороны от пленок 105, 106.
Устройство по изобретению обладает значительными преимуществами по сравнению с известными решениями благодаря уменьшению теплопроводности, достигаемому в связи с разрежением газа, находящегося между гибкими пленками 150, 160.
Действительно, поскольку расстояние между пленками 150, 160 меньше средней длины свободного пробега молекул газа, межмолекулярные столкновения, обеспечивающие передачу тепла в классической модели теплопроводности, происходят чрезвычайно редко в устройстве по настоящему изобретению.
По существу, столкновения происходят лишь между молекулами газа и пленками 150, 160.
Разделение пленок 150, 160 в теплоизолирующем положении может быть обеспечено различными средствами.
Так, для удержания пленок 150, 160 на удалении друг от друга может быть использована электростатическая зарядка пленок, т.е. приложение к пленкам одинаковых потенциалов относительно корпуса устройства, в частности относительно стенок 110, 120.
В таком случае взаимное сближение пленок 150, 160 для перехода в теплопроводящее положение также может быть усилено электростатическим управлением, придающим соседним пленкам противоположную полярность.
В другом варианте осуществления электростатического управления обеспечивают не взаимное отталкивание пленок под воздействием отталкивающих электростатических сил, создаваемых путем зарядки пленок одинаковым потенциалом, а прижиманием гибких деформируемых пленок 150, 160 к дополнительным несущим пластинкам или пленкам под воздействием притягивающих электростатических сил, создаваемых путем зарядки гибких деформируемых пленок и несущих пленок соответствующими противоположными потенциалами.
Однако в предпочтительном варианте, представленном на фиг. 1 и последующих прилагаемых чертежах, разделение гибких пленок 150, 160 обеспечивают при помощи разделителей 140.
Точнее, разделители 140 предпочтительно содержат краевые участки 142, 144, установленные с опорой к внутренним поверхностям стенок 110, 120, и серединный вставной элемент 146, расположенный между гибкими пленками 150, 160. Таким образом, каждая из гибких пленок 150, 160 зажата между вставным элементом 146 и одним из краевых участков 142, 144 разделителей 140.
Разделители 140 могут быть точечными (образованными штифтами) или линейными (образованными полосами) и образуют решетку, параллельную пленкам.
Они могут быть расположены в линию, как показано на фиг. 1, 2 и 3, или сдвинуты друг относительно друга, как показано на фиг. 4.
Расстояние между разделителями 140 предпочтительно постоянно.
При сдвинутом расположении разделителей 140, как представлено на фиг. 4, промежуточный элемент 146 не выровнен с краевыми участками 142, 144. Силы давления оказывают механическое воздействие на все пленки.
При наложении разделителей, как представлено на фиг. 1-3, эти силы воздействуют только на внешние пленки. В таком случае промежуточные пленки, не испытывающие механической нагрузки, могут быть выполнены значительно более тонкими и расположены значительно ближе друг к другу.
С точки зрения теории, лежащей в основе изобретения, следует помнить, что средняя длина Ipm свободного пробега в газе обратно пропорциональна давлению и пропорциональна (абсолютной) температуре. Кинетическая теория идеальных газов дает следующую формулу:
где k - постоянная Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной к числу Авогадро), d - диаметр молекул газа (м), Т - абсолютная температура (К), а р - давление газа (Па).
При помощи данной формулы можно установить, что значение Ipm для газа при окружающей температуре и атмосферном давлении составляет порядка 50 нм, а при давлении порядка 0,12 Па - более 0,6 мм.
2
r
c
Пренебрегая влиянием разделителей 140 на поток излучения, величину теплового потока в Вт/м можно выразить в виде: ϕ=(h+h)ΔT.
В условиях, соответствующих настоящему изобретению, в которых расстояние между гибкими пленками 150 и 160 больше средней длины Ipm свободного пробега, коэффициент теплообмена, характеризующий теплопередачу между двумя сторонами воздушного промежутка, заключенного между пленками 150 и 160, равен:
где р - давление газа,
R - универсальная газовая постоянная,
М - молярная масса газа,
γ - отношение удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме (на практике равное 7/5),
a
F - коэффициент ослабления теплопередачи на границах сред (определяющий на практике эффективность теплообмена между газом и пленками и приблизительно равный в данном случае 0,67).
2
При поддержании уровня давления, обеспечивающего выполнение условия, в соответствии с которым значение Ipm должно быть много больше толщины воздушного слоя (например, р=0,12 Па для воздушного слоя толщиной 0,6 мм), коэффициент теплообмена составляет порядка 0,09 Вт/(м⋅К).
Используя классические уравнения для лучистого теплообмена между двумя полубесконечными плоскостями, расположенными одна напротив другой, при достаточно небольшой разнице температур между двумя пленками (на практике меньшей 40°С), хорошую аппроксимацию величины потока теплового излучения можно получить, используя следующее линейное выражение:
1
2
где T и Т - температуры пленок 150 и 160,
m
T - средняя температура пленок,
-8
2
-4
σ - постоянная Стефана, равная 5,67⋅10 Вт⋅м⋅К,
eq
ε - эквивалентная излучательная способность обеих пленок, определяемая по формуле:
eq
1
2
1
2
1
2
ε=εε/(ε+ε-εε).
В случае выбора пленок с низкой излучательной способностью, например с излучательной способностью порядка 4%, коэффициент линеаризованного лучистого теплообмена равен
r
r
2
h=ϕ/ΔТ=0,12 Вт/(м⋅К).
r
c
2
2
2
Таким образом, для вакуума с давлением приблизительно 0,12 Па, в воздушном промежутке толщиной 0,6 мм суммарный коэффициент теплообмена h+h составляет порядка 0,9 Вт/(м⋅К)+0,12 Вт/(м⋅К)=0,21 Вт/(м⋅К).
-3
2
c
r
При еще большем разрежении, например, порядка 10 Па, составляющая h проводимости становится пренебрежимо малой по сравнению с составляющей h излучения, в результате чего коэффициент теплообмена равен одному лишь коэффициенту излучения, составляющему 0,12 Вт/(м⋅К) при крайне малой толщине элемента.
Разумеется, материал и геометрия распорок 140, а также конструкция и их контакт с пленками - в предпочтительном варианте контакт должен быть точным - должны обеспечивать минимизацию теплообмена.
В связи с эти распорки 102 и 140 предпочтительно изготавливают из теплоизолирующего материала во избежание возникновения теплового моста между стенками 110 и 120. В оптимальном варианте осуществления распорки 102 и 140 изготавливают из термопластического материала.
В соответствии с одним из частных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство содержит набор из четырех параллельных металлических пленок 150, 160, 170, 172 с малой излучательной способностью, изготовленных из стали, толщиной 1,4 мм, разделенных воздушными промежутками толщиной 0,6 мм, что составляет суммарную толщину, равную 7,4 мм.
Распорки 140 расположены с шагом 4 см и могут быть точечными (с поперечным сечением 1 мм × 1 мм) или линейными (с шириной 1 мм).
Устройство по настоящему изобретению представляет собой активный теплоизоляционный компонент. Он обладает способностью адаптации к динамическим характеристикам здания и составляет вспомогательный механизм для использования инертности здания для переключения между статическим состоянием с высокими характеристиками теплоизоляции и состоянием с высокой теплопроводностью для передачи теплового потока.
Кроме того, специалисту в данной области должно быть очевидно, что благодаря таким свойствам устройства теплоизоляции, эффективность которого не зависит от толщины, настоящее изобретение позволяет осуществлять теплоизоляционные устройства, обеспечивающие чрезвычайно высокую степень теплоизоляции, без необходимости большой толщины.
2
2
Как правило, настоящее изобретение позволяет создать устройство, тепловое сопротивление которого может быть изменено, например, между 0,024 м⋅К/Вт и 80 м⋅K/Вт при толщине не более 1 см.
Устройство по настоящему изобретению, схематически представленное на прилагаемых чертежах, действует, по существу, следующим образом.
Когда давление, создаваемое внутри камеры 104 средством 170, прижимает пленки 150, 160 друг к другу на середине камеры 104 по толщине, как показано на фиг. 2, устройство переходит в теплопроводящее состояние. В таком положении некоторый теплообмен может происходить между пленками 150, 160.
Напротив, когда пленки 150, 160 отдалены друг от друга, как показано на фиг. 1, на расстояние, меньшее средней длины свободного пробега молекул газа, находящегося в ячейках 158, устройство переходит в теплоизолирующее состояние.
Стенки 110, 120, образующие панель 100, могут быть осуществлены многими различными образами.
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 хранение.
Стенки 110, 120 могут быть выполнены из металла.
Они также могут быть выполнены из композитного материала, например, в виде электроизолирующего слоя, соединенного с электропроводящим слоем (из металла или материала, насыщенного электропроводящими частицами).
Аналогичным образом, при использовании электростатической команды для управления переходом между состояниями, гибкие пленки 150, 160 должны быть по меньшей мере частично электропроводящими для обеспечения возможности приложения электрического поля, необходимого для создания вышеупомянутых электростатических сил.
Как правило, гибкие пленки 150, 160 могут быть изготовлены из листа гибкого металла или термопластического или аналогичного материала, насыщенного электропроводящими частицами.
Так, каждая из гибких пленок 150, 160 может образована из электропроводящей сердцевины, снабженной с обеих сторон покрытием из электроизолирующего материала (например, термопластического материала).
Устройство по настоящему изобретению обеспечивает возможность, например, сбора солнечной энергии с освещенных стенок в зимнее время или охлаждения стен летом, когда снижение внешней температуры допускает такую возможность, путем его перевода в теплопроводящее состояние, проиллюстрированное на фиг. 2, или, напротив, в теплоизолирующее состояние, проиллюстрированное на фиг. 1.
Как было указано выше, все компоненты устройства по настоящему изобретению, т.е. стенки 110, 120 и пленки 150, 160 могут быть оптически прозрачными. Таким образом, устройство по настоящему изобретению может быть использовано на прозрачных стенах.
В частности, следует отметить, что все известные системы, в которых используют материалы с сердечником, не допускают возможности такой оптической прозрачности.
Теплоизоляционные панели по настоящему изобретению также могут выполнять декоративную функцию.
При использовании устройства по настоящему изобретению на неэкономичных пропускающих тепло стенах здания может быть предусмотрено регулирование теплоизоляции с целью оптимизации влияния внешней среды (солнечной энергии зимой и холода летом). Таким образом, в противоположность известным в настоящее время концепциям отопления или кондиционирования воздуха, в которых внутренняя установка компенсирует потери или поступление тепла через оболочку, данная система управляет этими потерями или поступлением тепла для поддержания комфортных условий внутри здания. Разумеется, такое регулирование может быть осуществлено в автоматическом режиме, при помощи соответствующих тепловых датчиков.
Настоящее изобретение также может быть использовано для полного контроля тепловой инерции стен здания в масштабах, ранее недостижимых.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено конкретным вышеописанным применением к области теплоизоляции зданий. Настоящее изобретение, в соответствии с которым может быть обеспечена высокая степень электроизоляции, не зависящая от толщины устройства и допускающая использование чрезвычайно малой толщины, может быть использовано во многих областях техники.
В частности, настоящее изобретение может быть использовано в изготовлении одежды или любых других промышленных областях, в которых необходимо обеспечение теплоизоляции.
В рамках настоящего изобретения вышеописанное устройство может быть использовано в конфигурации модульного расположения нескольких панелей 100 по настоящему изобретению, размещенных встык по кромкам. В таком случае для обеспечения полной непрерывности изоляции предпочтительно могут быть предусмотрены перекрывающие элементы, встроенные в стенки 110, 120 панели 100 и обеспечивающие наложение на смежные панели. В другом варианте осуществления такие перекрывающие элементы могут быть выполнены на элементах, присоединенных на уровне стыков между такими двумя смежными панелями 100.
В рамках настоящего изобретения также может быть предусмотрена комбинация из нескольких панелей по настоящему изобретению, наложенных одна на другую для усиления теплоизоляции.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничено вышеописанными конкретными вариантами осуществления, но также охватывает и любые другие варианты, соответствующие сущности изобретения.
Вышеописанное устройство содержит две параллельные гибкие пленки 150, 160, установленные внутри камеры 104.
Однако настоящее изобретение не ограничено данным числом пленок и может предусматривать большее число гибких пленок, расположенных параллельно внутри камеры 104. Например, на прилагаемом чертеже по фиг. 3 представлен вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым предусмотрено 6 гибких пленок 150, 160, 180, 182, 184 и 186, расположенных внутри камеры 104.
Принцип действия данного устройства по существу идентичен вышеописанному принципу действия.
Давление, создаваемое внутри камеры 104, может быть установлено средством 170 между двумя уровнями: уровнем повышенного давления, которое вызывает взаимное прилегание всех вышеуказанных пленок 150, 160, 180, 182, 184 и 186, и уровнем пониженного давления, при котором расстояние между каждыми двумя соседними пленками меньше средней длины свободного пробега молекул газа, занимающего объем, ограниченный этой парой гибких пленок.