СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАКЕТОВ ЭЛЕМЕНТОВ ОСТЕКЛЕНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ
METHOD FOR PRODUCTION OF PACKAGES OF GLAZING ELEMENTS OF ENCLOSING STRUCTURES OF BUILDINGS

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям остекления и способам их изготовления.
В WO 91/02878 и WO 93/15296 предложен вакуумный стеклопакет, состоящий из двух смежных листов стекла, из пространства между которыми откачан воздух. Листы стекла разделены между собой дистанционными прокладками и соединены между собой по периметру слоем герметизирующего материала (уплотнения). Откачка воздуха из межстекольного пространства производится через отверстие в одном из стекол.
2
2
2
2
2
Известные вакуумные стеклопакеты до настоящего времени не смогли завоевать рынок. Современными выпускаемыми промышленным способом вакуумными стеклопакетами достигнут неудовлетворительный коэффициент теплопередачи U=1,0 Вт/(м·К) или ниже, этот параметр сегодня без труда обеспечивают даже традиционные стеклопакеты. И хотя лабораторные исследования показали реальность достижения коэффициента теплопередачи U=0,4 Вт/(м·K), все же на практике эти результаты ограничивались только мелкими лабораторными образцами. Переход в лабораторных опытах на более крупные форматы изделий от 0,8 м и выше до сих пор не удавался. Причина этого кроется в том, что, например, при практическом использовании известных вакуумных стеклопакетов часто имеют место повреждения в виде боя стекла, негерметичности или потери вакуума и т.п., что зачастую может приводить изделие к полной непригодности и отказу в работе. Особенно сильно страдают краевые зоны, находящиеся в соединительном профиле, и особенно в углах. Как оказалось, такие недостатки проявляются обычно на крупногабаритных изделиях площадью не менее 0,4 м и прежде всего в более крупных, в то время как в малых лабораторных образцах обычного размера 500×500 мм (площадью до 0,25 м) такие явления не наблюдались.
Кроме того, обычные вакуумные стеклопакеты по сравнению с традиционными стеклопакетами значительно дороже. До настоящего времени не удалось значительно снизить себестоимость изделий за счет улучшения технологии производства.
В качестве примера повышения теплового сопротивления стеклопакета из патентной документации известны способы нанесения покрытий на наружный лист стекла для обеспечения определенных свойств поглощения энергии и пропускания света для снижения тепловых потерь из помещений зданий.
В патенте US 4751149 описан способ нанесения покрытия из оксида цинка на основу при низкой температуре с использованием смеси цинкорганического соединения и воды в среде инертного газа. Получаемая пленка оксида цинка имеет сравнительно низкое удельное сопротивление, которое можно изменить путем добавления химического элемента III группы Таблицы Д.И. Менделеева (В, Al, Sc).
В патенте US 6071561 описан способ осаждения пленок из оксида цинка с примесью фтора с использованием паров соединений исходных веществ, например хелатадиалкилцинка, в частности, с использованием аминохелата, источника кислорода и источника фтора. Полученные покрытия являются электропроводными, отражают инфракрасное излучение, поглощают ультрафиолетовое излучение и не содержат углерода.
Наиболее близким к заявленному способу является патент RU 2448133, в котором говорится о том, что теплопередача в герметизированных изоляционных стеклопакетах может быть снижена при замене воздуха в герметизированном изоляционном стеклоокне на газ с более низкой теплопроводностью. Подходящие газы должны быть бесцветными, нетоксичными, некорродирующими, негорючими, не разрушающимися под действием ультрафиолетового излучения и более низкопроводными по теплу, чем воздух. Аргон, криптон, ксенон и гексафторид серы являются известными примерами газов, которые обычно являются заменителями воздуха в изоляционных стеклоокнах для снижения энергопереноса теплопроводностью.
2
2
Однако при проведении эксперимента с использованием воздуха, дорогостоящего инертного аргона и углекислоты CO выявлено, что заполнение камер аргоном почти ничего не дало, а в случае с газом-заполнителем CO результат уменьшения теплообмена на 8-10% по сравнению с воздушным заполнителем. Такие результаты приводят к выводу о том, что неправильно были представлены механизмы теплопередачи в случае использования теплопроводности газов как средства управления процессом теплопередачи через стеклопакет.
Задачей данного изобретения является разработка улучшенного теплоизолирующего элемента стеклопакета, лишенного недостатков обычных вакуумных стеклопакетов, стеклопакетов, заполненных газом, с пониженной теплопроводностью и стеклоизделий с покрытием из оксида цинка или других материалов с высокой отражательной способностью и стоимостью.
1
1
1
атм
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Сущность изобретения: в способе изготовления пакетов элементов остекления ограждающих конструкций зданий, состоящих из листов стекла, устанавливаемых с промежутком между ними, который заполняют газом и герметизируют с установкой по периметру стекла фиксирующих прокладок, покрытых слоем уплотнительной замазки, согласно изобретению заполнение промежутка производят газом, поглощающим тепловое (инфракрасное) излучение, имеющим в своем составе три и более атомов. При этом при подаче газа давление P и температуру T газа задают выше этих параметров для окружающей среды для того, чтобы после герметизации промежутка между стеклами за счет остывания газа в промежутке установилось бы давление P=P, что предотвратит перетекание газа, при этом соотношение начальных и конечных после заполнения параметров должно подчиняться соотношению
.
В качестве лучепоглощающих газов используют как отдельные лучепоглощающие газы, так и их смеси. При использовании смеси лучепоглощающих газов состав их подбирают таким образом, чтобы, с учетом селективности излучения газов, диапазоны излучения отдельных газов создавали близкий к сплошному спектр излучения, характерный для «серого» тела. Для гарантии заданного состава и вытеснения воздуха из промежутка количество газа, подаваемого для заполнения камеры, в 3-4 раза превышает ее объем
На фиг. 1 изображен оконный стеклопакет с улучшенной теплоизоляционной способностью, содержащий два отстоящих друг от друга листа стекла в пространственном отношении друг к другу, с газовой прослойкой между ними. На фиг. 2  представлена зависимость приведенной степени черноты от степени черноты газа
Для анализа условий теплообмена были произведены расчеты с целью определения составляющих теплопередачи через пакет в прослойке между стеклами. Определялись тепловые потоки при заполнении полости между стеклами разными газами.
Таблица 1
-3
Расчеты были проведены при обработке опытных замеров δ=14·10 м, Δt=8°C - разница температур между стеклами. Тепловым сопротивлением самих стекол ввиду его малости пренебрегаем.
Как показали расчеты, доля лучистого теплообмена является довольно значительной, и поэтому тепловое сопротивление окон лучше всего изменять за счет излучения.
Теоретическое решение задачи лучистого теплообмена представляется уравнением:
0
2
4
где C=5,77 Вт/(м·К) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
1
2
T и T - абсолютные температуры каждого из стекол, К;
пр
ε - приведеная степень черноты.
Именно это величина содержит характеристику поглощающих свойств газового слоя.
г
Для случая ε=0 (отсутствие поглощения газом):
,
При наличии поглощающего газа:
.
<mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Сравнение этих двух случаев можно провести, используя отношение этих величин, т.е.
,  что в развернутом виде представлено выражением:
.
<mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>¯</mo></mover><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
Если
, то это будет означать, что лучепоглощающая среда будет уменьшать тепловой поток, и наоборот.
<mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>¯</mo></mover>
Ниже в таблице 2 приводятся результаты расчетов величины
для различных газов.
Таблица 2 - Расчет сравнительной степени черноты
Как видно из приведенных данных, увеличение степени черноты газа, заполняющего прослойку между стеклами, ведет к снижению приведенной степени черноты системы и, следовательно, к снижению интенсивности лучистого теплообмена. Особенно наглядно эта связь представлена на графике (фиг. 2), построенном по результатам расчетов.
Приведенный график можно интерпретировать зависимостью:
<mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>¯</mo></mover><mo>≈</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ε</mi><mi>г</mi></msub></mrow>
, при этом ошибка будет составлять 0,7%.
Для проверки справедливости такой интерпретации проведем контрольный расчет в двух точках:
г
ε=0,2; ; ,
г
ε=0,9; ; .
2
2
4
Таким образом, введение в прослойку поглощающего «парникового» газа должно снижать тепловые потоки через стеклопакет. К таким газам, поглощающим тепловое инфракрасное излучение, относятся газы, имеющие в своем составе более трех атомов, например, CO, SO, CH, фреоны и др. Поскольку газы отличаются селективностью излучения, т.е. наличием излучения и поглощения только в каких-то характерных для данного газа диапазонах длин волн, и в газовых смесях действует правило парциальности действия и аддитивности (слагаемости) величин эффектов отдельных газов, то целесообразно окна заполнять смесями поглощающих газов. При этом их состав нужно подбирать так, чтобы диапазоны излучения газов не совпадали, а в сумме давали бы спектр излучения, близкий к сплошному спектру излучения твердого «серого» тела.
При заполнении газом необходимо добиться вытеснения воздушного объема из промежутка между стеклами, иначе эффект поглощения будет снижен за счет снижения доли парциального давления в объеме промежутка. Для гарантии полного вытеснения, как показывает опыт, достаточно прокачать объем газа, превышающий объем воздушной прослойки в 3-4 раза.
1
Для обеспечения герметичности в процессе службы окон в них необходимо создать давление, близкое к атмосферному, что исключит процесс перетекания. Вместе с тем для продувки в камере (промежутке) окна необходимо держать давление выше атмосферного. Для выполнения этих противоречащих друг другу требований, необходимых для нормальной работы окна с заполнением поглощающим газом, предлагается при продувке держать избыточное давление в камере около 10 кПа или 0,1 атм (абсолютное давление P=110 кПа), при этом температура газа должна составлять 40-50°C или 310-320 K. После заполнения камеры пружинные клапаны отсекают объем камеры, фиксируя ее объем.
При постоянном объеме, что характерно для газовой прослойки, давление и температура связаны соотношением, вытекающим из известного закона Бойля-Мариотта
1
1
где T и P - температура и давление газа сразу после заполнения,
2
2
T и P - температура и давление газа после остывания газа через некоторое время, когда возникнут рабочие условия службы окон в целом и газозаполненной камеры в частности.
2
2
2
При работе окон температура газа в камере окна может быть определена на основе практических данных зимой t~0°C и летом 25°C. Если принять среднюю за год температуру t=17°C (T=290 K), то тогда из закона Бойля-Мариотта
<mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>110</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>290</mn></mrow><mrow><mn>320</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>100</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>П</mi><mi>а</mi><mo>≈</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>м</mi></mrow>
что дает
,
что соответствует барометрическому давлению воздушной среды. При этом не будет перепада давлений между давлением газа в камере окна и снаружи ее, что исключит возможное перетекание газа.
Аналитический расчет лучистых тепловых потоков был произведен для четырех газов: углекислота, аммиак, метан и пропан-бутан. Здесь четко выявилась тенденция к уменьшению тепловых потоков от одного стекла к другому при введении так называемых «парниковых» газов.
Экспериментальную проверку гипотезы удалось в полной мере провести только для углекислоты и метана.
2
Результаты опытов показали, что введение CO в качестве заполнителя пространства между стеклами дало снижение тепловых потоков на 8-10%, а для метана - на 10-12%.
Изобретение позволяет уменьшить тепловые потери через элементы остекления зданий. Теплоизолирующий элемент остекления содержит систему листов стекла, первый из которых является наружным стеклом, второй - внутренним. Пространство между листами стекла заполнено лучепоглощающим газом, в частности многоатомным, который, в свою очередь, увеличивает сопротивление теплопередаче.