PL226049B1 - Ustroj gazowej i radiacyjnej izolacji termicznej szyb zespolonych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest ustrój izolacji termicznej gazowej i radiacyjnej, zwłaszcza okien z szybami zespolonymi, składających się z dwóch przezroczystych, sztywnych płyt pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe i niewidoczne dla użytkownika transparentne elementy.

Jest to termoizolacja całkowicie przezroczysta, czyli nie rozpraszająca, nie załamująca ani nie odbijająca promieniowania widzialnego, a także nie deformująca obrazu widocznego przez przeszklenie.

Stan techniki

Liczne znane i szeroko stosowane materiały termoizolacyjne zawdzięczają wysoki opór cieplny, w niektórych materiałach przewyższający opór czystego, swobodnego gazu, swojej specyficznej, drobnoporowatej strukturze, zamykającej wewnątrz i oddzielającej od siebie elementarne, maleńkie porcje owego gazu, zazwyczaj powietrza. Taki podział objętości w wysokim stopniu utrudnia rozwój konwekcji termicznej w płynnym medium, gaz jest doskonałym izolatorem termicznym, ale tylko wtedy, jeżeli jest nieruchomy. Tradycyjne porowate materiały termoizolacyjne mają jednak szereg wad. W grubszych warstwach są zupełnie nieprzezroczyste, co dyskwalifikuje je do wielu zastosowań. Przyczyną tego zjawiska jest kontrast optycznych własności gazowego medium wypełniającego pory i polimerowego szkieletu, o współczynniku załamania światła radykalnie wyższym w porównaniu z gazem. W efekcie wielokrotnego rozpraszania i odbijania promieni na licznych ściankach porów, zlokalizowanych na drodze promieni, mimo całkowitej przezroczystości samego polimeru, światło nie może przedostać się poprzez izolację.

Próby opracowania termoizolacyjnego materiału zawierającego system pustek i przydatnego do szerszej skali zastosowań czyli posiadającego wysoki opór cieplny i zarazem przezroczystego szły dotychczas w trzech zasadniczych kierunkach.

Po pierwsze - w kierunku redukcji rozmiarów elementów szkieletu w materiałach porowatych, zdecydowanie poniżej długości fali światła widzialnego. Kierunek ten zaowocował opracowaniem nowoczesnego materiału termoizolacyjnego - aerożelu.

Aerożel to drobnoporowaty materiał, z amorficznej krzemionki lub polimeru, o porach rozmiarów rzędu 20 nanometrów, ograniczonych fraktalnie zorganizowaną siecią łańcuszkowych filamentów (włókien) i błon grubości ok. 2 nanometrów dla najniższego rzędu struktur.

Aerożel wykazuje szereg korzystnych właściwości: bardzo wysoki opór cieplny, niski ciężar właściwy, znikome odbicie światła od powierzchni. Co istotne, jest przeświecający, w cienkich warstwach prawie całkowicie przezroczysty, w grubszych rozprasza jednak światło podobnie jak dym tytoniowy, dlatego nazywany jest zamrożonym dymem (frozen smoke). Opracowano już szereg komercyjnie dostępnych konstrukcji przeszkleń wypełnianych płytami aerożelu (np. firmy Aspen Systems Inc, Airglass).

Przeszkodą dla szerszego zastosowania tych systemów jest bardzo wysoka cena aerożelu, jego wyrafinowana, opanowana przez nieliczne firmy technologia produkcji, ekstremalna kruchość, powodująca trudności z jego transportem i obróbką i wreszcie ograniczona przezroczystość. Lekkie zamglenie i niebieskawy lub żółtawy odcień widoczny zwłaszcza w przeszkleniach oświetlonych bezpośrednio słońcem (zorientowanych na południe) eliminuje ten materiał w zastosowaniu do przeszkleń w których nienaganna jakość obrazu jest zasadniczym wymogiem, a więc typu okien wystawowych, wzierników etc.

Po drugie - w kierunku tworzenia wysoko zorganizowanej struktury o kontrolowanej i powtarzalnej makroskopowej geometrii, typu płyty kanalikowej (kapilarnej), typu plastra miodu (ulowej) czy pakietu równoległych, nie stykających się ze sobą płaskich przegród (przeszklenia wieloszybowe/wielokomorowe lub wieloarkuszowe, np. w rozwiązaniu firmy Southwall Technologies - Heat Mirror® wprowadza się dwa a nawet trzy arkusze termokurczliwej folii poliestrowej Mylar pokrytej powłoką nisko emisyjną).

Doświadczalnie wyznaczona, optymalna wartość rozstępu między szybami w pojedynczym przeszkleniu zespolonym wynosi zależnie od rodzaju gazu ok. 5-16 mm i jest kompromisem pomiędzy efektem dławienia konwekcji termicznej uzyskiwanym poprzez zawężanie komory a rosnącym w miarę jej zawężania kondukcyjnym przepływem ciepła przez coraz cieńszą warstwę gazu. Powiększanie tego odstępu nie polepsza więc, a wręcz pogarsza opór termiczny przeszklenia.

PL 226 049 B1

Aby zwiększyć opór cieplny przeszklenia o rozstępie przewyższającym 16 mm należy wprowadzić pomiędzy szyby dodatkowe, możliwie przezroczyste elementy. Dostępne komercyjnie wypełnienia tego typu to między innymi płyty kapilarne, kanalikowe, ulowe, zazwyczaj o osi kanałów prostopadłej (WO 94 02313, DE 19 815 969, US 5 092 101), rzadziej skośnej do powierzchni szyby (EP 1072752, DE 41 032 47), płyty grubokomórkowe ze spienianego PMMA (US 4443391) a także wieloszybowe lub wieloarkuszowe (US 4 433 712; omówienie w Elmahdy & Comick, 1990, „Emerging window technology” Construction Canada, 32 (1) p. 46-48).

Takie przeszklenia są kompromisowym rozwiązaniem, niestety niezadowalającym w obu aspektach: optycznym i termicznym. Masywny polimerowy lub szklany szkielet i/lub znaczne rozmiary elementarnych komór lub kanałów powodują mierne własności termoizolacyjne: w materiale występują liczne, masywne mostki cieplne, a w makroskopowych komorach wypełnionych gazem rozwija się konwekcja. Współczynnik przewodzenia ciepła (lambda) dla tego typu płyt wynosi około 0,07-0,1 W/(m x K), podobnie jak dla przeszkleń wielowarstwowych, wieloszybowych, a więc kosztownych i ciężkich lub też zaopatrzonych w dodatkowe pakiety arkuszy folii polimerowych, równoległych do szyb. Wspomniane rozwiązanie pochłania poważna część promieniowania widzialnego i powoduje wielokrotne odbicia pogarszające wizualna jakość obrazu.

Zakłócanie biegu promieni na powierzchniach wszystkich dodatkowych elementów pogarsza jakość obrazu obserwowanego przez przeszklenie, system pochłania oraz odbija i rozprasza znaczną część światła padającego na izolację. Z tego względu zastosowanie przeszkleń tego typu ograniczone jest zazwyczaj do mniej wymagających optycznie zadaszeń i świetlików, pokryć kolektorów słonecznych lub szklarni.

Znane są makroskopowe struktury moskitiery stosowanej dla ochrony przed owadami, między innymi rozpinanej w otworze okiennym. Okienne moskitiery są obecnie optymalizowane przez szereg producentów w kierunku jak najmniejszej widzialności (porównaj Lauren Hunter „A Fine Mesh. Lowvisibility window screens let the sun shine” Remodeling Magazine, November 2008; US 6 763 875.

Mikroskopowa struktura włóknista została opracowana przez firmę KARL MAYER. Nowy wyrób tekstylny to bardzo cienka dzianina poliestrowa, określona mianem siatki filtracyjnej. Omawiana siatka filtracyjna założona w oknach posiada wystarczająca przezroczystość pozwalającą na swobodne obserwacje otoczenia, zapewniając jednocześnie wystarczające oświetlenie pomieszczenia i nie przepuszczając zarazem alergizujących pyłków kwiatowych (Grębowski J., „Nowości w dziewiarstwie”. Przegląd WOS 3/2009).

Przezroczyste, tkane i metalizowane ekrany elektromagnetyczne (np. statka VeilShield® firmy RESPONSIVE TEXTILES LAB montowane są w otworach okiennych w celu do ochrony pomieszczeń przed szkodliwymi i zakłócającymi prace sprzętu elektronicznego falami radiowymi i mikrofalami.

Należy wspomnieć o pajęczynach, strukturach absolutnie zoptymalizowanych pod względem mechaniczno-optycznym przez nacisk ewolucyjny. Te nanowłókniste struktury przędzone są przez wiele gatunków pająków z submikronowych nici (dla niektórych gatunków pająków grubości nawet 10 nanometrów) bardzo elastycznych i zarazem o wytrzymałości na zerwanie przewyższającej stal i włókna UHMWPE. Pajęczyny, zresztą chętnie rozpinane przez pająki w otworach okiennych, zaraz po uprzędzeniu suche i czyste, nawet te wykonane z nici powyżej mikrometra średnicy są nieomal niewidoczne nie tylko dla owadów, a także dla ludzkiego oka.

Zmierzająca w podobnym kierunku była próba przezwyciężenia miernych własności optycznych struktur wieloarkuszowych. Problemy wynikają w tej technologii z wysokiego współczynnika absorpcji i odbicia powłok niskoemisyjnych, tworzących stos, a tym samym niskiej całkowitej transmisji promieniowania widzialnego przez przeszklenie. Proponowano jako środek zaradczy zmianę litej i ciągłej przewodzącej powłoki niskoemisyjnej na struktury siatkowe, włókniste, wykonane z przewodzących nanodrutów, stanowiące lustro dla średniej podczerwieni. Dla takiej powłoki nieciągłej np. wykonanej z nanodrutów tlenków przewodzących, ale nanoszonej na lite podłoże (US 200901 28893) refleksyjność i absorpcja dla światła widzialnego pozostanie jednak nadal wysoka. Przyczynia się do tego odbicie i pochłanianie światła które zachodzi również na podłożu zwierciadła tj. na. całej powierzchni i wewnątrz litej płyty, a także na jej przeciwnej powierzchni.

Proponowano także wprowadzanie do przeszkleń przezroczystych lub lustrzanych płyt szklanych lub polimerowych, tworzących pomiędzy szybami system wzajemnie równoległych przegród, zorientowanych kulisowo względem owych szyb (EP 1072752). W niektórych wersjach wykonania przegrody mają regulowany kąt nachylenia lub też mają formę systemu ruchomych dwuspadowych daszków (US 4 245 435) i stanowią rodzaj żaluzji, zapewniającej w razie potrzeby prywatność we4

PL 226 049 B1 wnątrz pomieszczenia. Podział przestrzeni wewnątrz szyb na kulisowe komory ma pewne znaczenie dla zwiększenia oporu cieplnego całego przeszklenia.

W proponowanych rozwiązaniach komory te są jednak obszerne, nieomal izometryczne w przekroju poprzecznym i wzajemnie skomunikowane, natomiast transparentne (lub lustrzane w innych rozwiązaniach), zawieszone na cięgnach przegrody ograniczające te komory muszą być sztywne, a więc masywne. Wprowadzenie wspomnianych przezroczystych lub zwierciadlanych żaluzji w niewielkim stopniu poprawia własności termiczne okna, natomiast radykalnie pogarsza widoczność obiektów obserwowanych przez tak zabudowane przeszklenia.

Po trzecie starania szły w kierunku usunięcia powietrza z przestrzeni między przezroczystymi płytami lub szybami czyli wytworzenia warstwy próżni (US 4 928 444, US 6 291 036, WO 01/61135, US 6 105 336, US 6 291 036, US 6 541 084. Okna próżniowe wydają się być najbardziej obiecującym z dotychczas proponowanych kierunkiem w rozwoju przezroczystych izolacji termicznych.

Zaletami przeszkleń i okien próżniowych jest niezła jakość obrazu, mała grubość przeszklenia i dosyć wysoki opór cieplny. Nie jest to jednak rozwiązanie idealne i to z kilku powodów. Konieczność wytworzenia i utrzymania przez wiele lat wysokiej próżni wymaga stosowania idealnie szczelnej i nieprzepuszczalnej dla dyfundujących gazów uszczelki na całej długości krawędzi przeszklenia. Zastosowane uszczelki metalowe z indu lub jego stopów lub spawy szklane (jak w kineskopach), np. wykonywane za pomocą lasera, mają jednak złe własności termiczne, dlatego taki mostek cieplny stanowi poważne źródło strat. Próbą rozwiązania tego problemu jest wykonanie krawędzi szyb, (na przykład US 6291036), jako spienionych, elastycznych uszczelek, z zatopionymi wewnątrz elementami dystansująco-łącznikowymi (spacers) kontrolującymi odstęp między szybami.

Parcie atmosfery (100 kN/metr kwadratowy) wymaga dla zapobieżenia implozji szyby próżniowej wprowadzenia pomiędzy szyby systemu wspomnianych elementów pełniących funkcje podpór. Zazwyczaj są to rozmieszczone w regularnym wzorze lub losowo (US 4 786 344), kolumienki, wałki lub kulki szklane, ewentualnie metalowe lub z monokryształów (WO 01/61135). Proponuje się także elementy dystansowo-łącznikowe (spacers) wykonane z polimerów. Pogarszają one w pewnym stopniu jakość obrazu a przede wszystkim stanowią system mostków cieplnych. Wokół mostków cieplnych następuje w warunkach przesycenia lokalne wykraplanie pary na powierzchni szyb próżniowych, co znacznie pogarsza jakość obrazu widocznego przez taką szybę. W efekcie współczynnik przenikania ciepła przez szybę próżniową, liczony dla centrum szyby, U = ~0,7 zbliża ją do parametrów termicznych przeszklenia trójszybowego, o klasycznej konstrukcji, wypełnionego ksenonem, przy czym realny, sumaryczny współczynnik przenikania ciepła przez całą konstrukcję okna jest znacznie wyższy niż zmierzony dla centrum szyby.

Próbą pogodzenia sprzecznych wymogów wysokiego oporu termicznego i znakomitych właściwości optycznych jest wiązka rozwiązań zaproponowana w WO 03/104599 A1. Wynalazek ten rozwiązuje zagadnienie wprowadzenia do przestrzeni między przezroczystymi przegrodami, zwłaszcza szybami, wypełnionej przezroczystym, bezbarwnym gazem niewidocznego systemu blokującego możliwości rozwinięcia się konwekcji termicznej w owym medium lub nadanie takiej geometrii całości tej przestrzeni, aby możliwość konwekcji zablokować.

Ustrój gazowej izolacji termicznej w cytowanym rozwiązaniu ma wewnętrzny układ blokady konwekcji w postaci co najmniej jednej komory wyznaczonej równoległymi względem siebie przezroczystymi ściankami, usytuowanymi pomiędzy zewnętrznymi szybami pod kątem względem poziomu, przy czym dolny brzeg komory spojony jest dłuższą krawędzią z szybą zimniejszą - usytuowaną w strefie oddziaływania niższej temperatury, zaś górny brzeg komory spojony jest z szybą cieplejszą usytuowaną w strefie oddziaływania wyższej temperatury. Wariantem jest wprowadzenie konstrukcji okna peryskopowego w którym blokada konwekcji następuje dzięki stabilnej stratyfikacji gęstościowej gazu wypełniającego hermetyczną komorę okienną zaopatrzoną w lustra zorientowane pod kątem 45 stopni.

Powyższe rozwiązanie wykazuje jednak niedogodności związane z koniecznością zmiany usytuowania komory względem zimniejszej i cieplejszej szyby, w zależności od żądanej funkcji - poprawy efektywności energetycznej aktywnego ogrzewania lub chłodzenia pomieszczenia w związku ze zmianami sezonowymi lub pasywnej ochrony przed krótkotrwałymi np. dobowymi ekstremalnymi zmianami temperatury.

Celem wynalazku jest wprowadzenie nowej generacji termoizolacyjnych przeszkleń o ekstremalnych, dotychczas nieosiągalnych jednocześnie parametrach termicznych i optycznych (R > 20 U

0.05 i >70% transmisji widzialnego światła słonecznego), umożliwiających realizacje założeń domu

PL 226 049 B1 pasywnego zarówno indywidualnego jak i w sektorze budownictwa gmachów publicznych, ale z zachowaniem komfortu użytkowania typowego dla okien o klasycznej konstrukcji, bez konieczności uciążliwych sezonowych zmian w strukturze przeszklenia.

Istota wynalazku

Ustrój izolacji termicznej gazowej i radiacyjnej według wynalazku dotyczy przeszkleń z dwukomorowymi szybami zespolonymi, składającymi się z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli w postaci szyb, pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe i niewidoczne przezroczyste elementy.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przezroczyste przegrody mają przekrój V-kształtny o kącie rozwarcia od 80 do 100 stopni, korzystnie 90 stopni, i tworzą zestaw wypełniający wnętrze przeszklenia, przy czym płaszczyzna wyznaczona dwusieczną kąta rozwarcia jest równoległa do tafli, przegrody są wzajemnie równoległe względem siebie zaś linie styku przegród z taflami są poziome a ponadto we wnętrzu przeszklenia usytuowana jest powłoka niskoemisyjna - na tej powierzchni tafli, która jest skierowana w stronę strefy niższej temperatury.

Dystans pomiędzy przegrodami zależny jest od rodzaju gazu i w przypadku przeszklenia o standardowej grubości od 16 do 36 milimetrów wynosi od 2 do 3 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 3 do 4 milimetry dla kryptonu, 4 do 5 milimetrów dla suchego argonu, a dla przeszkleń skrzynkowych, powyżej 15 cm grubości dystans między poszczególnymi przegrodami w zestawie wynosi od 4 do 6 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 6 do 8 milimetrów dla kryptonu i 12-16 milimetrów dla suchego argonu i suchego powietrza.

Przeszklenie o grubości powyżej 15 centymetrów wykonane jest jako hermetyczna szyba zespolona z ramką ze sztywnej pianki polimerowej z wkładką z falistej folii ze stali nierdzewnej (inox) i zaopatrzona w system zewnętrznej kompensacji zmian objętości i ciśnienia w formie zewnętrznego mieszka ze stali nierdzewnej, połączonego przewodem z komorą szyby zespolonej.

Zestaw przegród usytuowany jest krawędzią ku dołowi przeszklenia lub ku górze przeszklenia.

We wnętrzu przeszklenia usytuowana jest środkowa tafla lub naprężona pionowo folia.

Przezroczyste przegrody dochodzą do powierzchni zewnętrznych tafli z którymi są spojone, tangencjalnie lub sigmoidalnie, a utrzymywane są w dystansie i równolegle do siebie przez naprężane łączniki z nanowłókien prostopadłe do zestawu lub tafli zewnętrznych, wariantowo przez nadanie elementom jednoimiennego potencjału elektrostatycznego.

Przegrody mają postać naprężanych, termokurczliwych lub napinanych mechanicznie membran z materiału organicznego polimerowego lub białkowego. Przegrody mają postać sztywnych lub napinanych arkuszy z materiału nieorganicznego.

Przegrody mają postać kompozytowego filmu z transparentnego aerożelu o niskim współczynniku załamania światła i niskim współczynniku odbicia, rozpiętego na wzmacniającym szkielecie z nanowłókien.

Przegrody mają postać trójwarstwowych naprężanych nanosiatek o ażurowej konstrukcji, złożonej ze i) szkieletu nośnego z wytrzymałych mechanicznie elastycznych lub teksturowanych nanowłókien, ii) warstwy nanosiatki przewodzącej, korzystnie metalowej rozpiętej na szkielecie nośnym oraz iii) pokrywającego i dogęszczającego welonu z włókniny, zbudowanego z nanowłókien średnicy 5-25 nanometrów.

Przegrody mają postać dwuwarstwowych naprężanych nanosiatek o ażurowej konstrukcji, złożonej ze i) szkieletu nośnego z wytrzymałych mechanicznie elastycznych lub teksturowanych nanowłókien, oraz ii) pokrywającego i dogęszczającego welonu z włókniny, zbudowanego z nanowłókien średnicy 5-25 nanometrów.

Szkielet nośny ma postać elastycznej przędzy lub pasm nanowłókien, o średnicy 20-100 nanometrów, przezroczystych w świetle widzialnym.

Warstwa nanosiatki przewodzącej ma postać nanosiatki przewodzącej, metalowej (najkorzystniej ze srebra lub złota Au), metalizowanej z rdzeniem dielektrycznym lub tlenkowej (Inidium-tin-oxide ITO, domieszkowany tlenek cynku ZnO), ewentualnie z nanowłókien (nanorurek) węglowych, wariantowo metalizowanych, o wzorze stykających się oczek o rozmiarach 300-1000 nanometrów, wariantowo: perścieniowych, kwadratowych lub heksagonalnych (chicken wire), o nanowłóknach czy nanodrutach przewodzących pokrytych warstwą przeciwodblaskową. Pokrywająca i dogęszczająca warstwa z nanowłókniny zbudowana jest z nanowłókien o średnicy 5-25 nanometrów, korzystnie porowatych i przezroczystych w świetle widzialnym, ewentualnie zaklejonej i uszczelnionej przezroczystej,

PL 226 049 B1 niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji nanomembrany polimerowej lub nieorganicznej o grubości 5-10 nanometrów.

Pokrywająca i dogęszczająca warstwa z nanowłókniny zbudowana jest z nanowłókien o średnicy 5-25 nanometrów, korzystnie porowatych i przezroczystych w świetle widzialnym, ewentualnie zaklejonej i uszczelnionej przezroczystej, niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji nanomembrany polimerowej lub nieorganicznej o grubości 5-10 nanometrów.

Przegrody są ciągłe i mają po obu stronach relief w formie regularnego, najkorzystniej szachownicowego lub heksagonalnego (moth-eye), wariantowo przypadkowego, układu występów i wgłębień o rozmiarach poniżej długości fali światła widzialnego.

Przegrody są ciągłe i zaopatrzone są w warstwę przeciwodblaskową, pojedynczą lub w formie stosu wielowarstwowego.

Przegrody są przezroczyste w zakresie widzialnym i przezroczyste w zakresie promieniowania podczerwonego.

Przegrody są przezroczyste w zakresie widzialnym i posiadają wysoki współczynniku odbicia w zakresie promieniowania podczerwonego.

Przegrody stanowią dielektryczne zwierciadło interferencyjne dla średniej podczerwieni, złożone z litego stosu membran wielowarstwowych o naprzemiennie kontrastowym współczynniku załamania światła, lub oddzielonych warstwami gazowego medium o współczynniku n=1, z nanostrukturalnymi powłokami anty-refleksyjnymi skutecznymi dla światła widzialnego.

Przegrody są ciągłe i każda z przegród ciągłych stanowi układ retro-refleksyjny o całkowitym wewnętrznym odbiciu światła w zakresie średniej podczerwieni, i zaopatrzona jest w powłoki odbłyśnikowe, przezroczyste i nie zakłócające biegu promieni dla światła widzialnego.

Przegrody są ciągłe i stanowią zwierciadło dyspersyjne matowe w zakresie średniej podczerwieni złożone ze stosu membran zawierających spoiwo z rozproszonymi elementami dyspergującymi.

Przegrody są ciągłe i stanowią zwierciadło dla średniej podczerwieni przezroczyste dla światła widzialnego.

Przegrody stanowią nanoarkusze z materiału kompozytowego w formie membrany grubości poniżej 10 nanometrów, wariantowo z materiału polimerowego, białkowego, ze szkła lub spojonych w błonę delaminowanych minerałów ilastych, czy monoatomowych płatków grafenu, niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji, wzmacnianej siatką z naprężonych nanowłókien o grubości 20-1000 nanometrów.

Objaśnienie figur rysunków

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładach wykonania na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1 - poglądowy, bez zachowania proporcji, przekrój przez złożone przeszklenia (szyby zespolone) - układ przegród skierowanych krawędziami w górę,

Fig. 2 - poglądowy, bez zachowania proporcji, przekrój przez złożone przeszklenia (szyby zespolone) - układ przegród skierowanych krawędziami w dół,

Fig. 3 - przekrój przez szybę zespoloną, wariant z asymetrycznym układem zestawu przegród skierowanych krawędziami w dół (lewa tafla po stronie temperatur wyższych a prawa - po niższych),

Fig. 4 - przekrój przez szybę zespoloną, wariant trójtaflowy

E, F - szczegóły wariantowego mocowania przegród do szyb, z uwidocznionym wariantem przeszycia zestawu dystansującymi nanowłóknami:

E - układ sigmoidalny,

F - układ tangencjalny,

Fig. 5 - poglądowy schemat przeszklenia z nanosiatką

A - przekrój przez przeszklenie z zestawem przegród skierowanych krawędzią w dół;

B - trójwarstwowa struktura ażurowej przegrody,

C, D, E - wybrane, wariantowe geometrycznie i materiałowo układy przewodzących nanosiatek (lustra dla podczerwieni): C - połączone nanopierścienie, D - siatka kwadratowa, E - siatka heksagonalna;

F - siatka wspornikowa, szkieletowa, wariant wykonania w układzie kwadratowym

PL 226 049 B1

G, H, I - wariantowe, geometrycznie i materiałowo przykładowe, poglądowe układy nanowłókien budujących warstwę elastycznego, naprężonego szkieletu membrany:

G - pasmo spiralno-sinusoidalnych nanorurek węglowych,

H - elastyczne pasma naturalnej nici pajęczej, odpowiednika inżynierskiej przędzy typu stretch, (Spandex lub Lycra),

I - powiększenie pojedynczej, spiralnie skręconej, helikoidalnej nanorurki węglowej

J - poglądowa struktura nanowłóknistego welonu o niskiej gęstości powierzchniowej pokrywającego i uszczelniającego całą membranę.

Fig. 6 - konstrukcja złożonego przeszklenia typu hermetycznej szyby zespolonej o niestandardowej, znacznej grubości, z zewnętrzną instalacją gazową

A - przeszklenie z zestawem przegród skierowanych krawędziami w dół,

B - przekrój przez ramkę szyby zespolonej ze sztywnej pianki polimerowej z wkładką z falistej folii ze stali nierdzewnej (inox),

C - mieszek kompensacyjny ze stali nierdzewnej Fig. 7 - wariant szyby zespolonej z wypełnieniem całej głębokości otworu okiennego w murze Fig. 8 - wariant szyby zespolonej z wbudowaniem w podwójną oszkloną fasadę

Fig. 9 - szczegóły wykonania wybranych wariantów konstrukcji wewnętrznych, ciągłych lateralnie przegród w szybie zespolonej i przebieg przykładowych promieni

A - membrana wielowarstwowa w formie zestawu folii o grubości równej ¼ długości fali światła podczerwonego (2-3 mikrometry), utrzymywanych od siebie w dystansach o podobnym wymiarze,

B - membrana typu „matowego lustra” z pojedynczej folii o grubości 2-3 mikrometrów z polimeru zawierającego ziarna z materiału nieorganicznego rozpraszające wstecznie promieniowanie podczerwone

C - membrana retro-refleksyjna przy czym a - to powierzchnia antyrefleksyjna pokryta nanoguzkami typu moth-eye;

b - to promienie z zakresu średniej podczerwieni; c - to promienie widzialne; d - to wsporniki dystansujące, np. z nanowłókien.

Poszczególne oznaczenia wskazują:

1. - tafle szklane (zamiast uwidocznionej na rysunku środkowej tafli korzystne może być wariantowe wykonanie tej przegrody w formie naprężonej folii),

2. - naprężone przegrody,

3. - powłoka niskoemisyjna (tylko w wersji tangencjalnego układu membran),

4. - naprężone łączniki z nanowłókien.

Przykłady wykonania

Na fig. 1-4 pokazano ustrój izolacji termicznej gazowej według wynalazku, składający się z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli 1, pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe. Ustrój ma wewnętrzny układ blokady konwekcji termicznej w postaci systemu komór wyznaczonych równoległymi względem siebie przezroczystymi przegrodami 2.

Przezroczyste przegrody 2 mają przekrój V-kształtny o kącie rozwarcia od 80 do 100 stopni, korzystnie 90 stopni, i tworzą zestaw wypełniający wnętrze przeszklenia.

Płaszczyzna wyznaczona dwusieczną kąta rozwarcia jest równoległa do tafli 1, przegrody 2 są wzajemnie równoległe względem siebie zaś linie styku przegród z taflami 1 są poziome do tafli a ponadto we wnętrzu przeszklenia usytuowana jest powłoka niskoemisyjna 3 - na jednej powierzchni tafli 1, tej która jest skierowana w stronę strefy niższej temperatury.

Dystans pomiędzy przegrodami 2 zależny jest od rodzaju gazu i w przypadku przeszklenia o standardowej grubości od 16 do 36 milimetrów wynosi od 2 do 3 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 3 do 4 milimetry dla kryptonu, 4 do 5 milimetrów dla suchego argonu.

Dla przeszkleń skrzynkowych, powyżej 15 cm grubości, dystans między poszczególnymi przegrodami 2 w pakiecie będzie się mieścił w zakresie od 4 do 6 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 6 do 8 milimetrów dla kryptonu i 12-16 milimetrów dla suchego argonu i suchego powietrza.

Przeszklenie o grubości powyżej 15 centymetrów wykonane jest jako hermetyczna szyba zespolona z ramką ze sztywnej pianki polimerowej z wkładką z falistej folii ze stali nierdzewnej (inox)

PL 226 049 B1 i zaopatrzona w system zewnętrznej kompensacji zmian objętości i ciśnienia w formie mieszka ze stali nierdzewnej, połączonego przewodem z komorą szyby zespolonej.

W bardziej zaawansowanych wariantach ten podstawowy, prosty układ symetrycznej w przekroju „jodełki” jest wariantowo zmodyfikowany. Warianty geometrii uwzględniają typ klimatu i rozkład powłok niskoemisyjnych wewnątrz struktury przeszklenia.

Dla klimatów o przewadze wysokich temperatur zewnętrznych w rozkładzie rocznym, z jedynie epizodycznymi chłodami, korzystniejszy energetycznie będzie układ asymetryczny, z dłuższymi ramionami przegród 2 po zewnętrznej (lewej) stronie przeszklenia, i o co najmniej jednej niskoemisyjnej powłoce 3, naniesionej na stronie wewnętrznej tafli 1 szyby zespolonej (fig. 4). Układ zestawów przegród 2 posiada w przekroju odwróconą w pionie orientację jodełkową (fig. 3). Taki układ zapewnia większy opór cieplny całej struktury w czasie występowania przeważających w roku wysokich temperatur zewnętrznych. Dodatkowe straty termiczne w czasie epizodów chłodu czy nawet mrozu, kiedy taka asymetryczna izolacja jest nieco mniej efektywna, będą w bilansie rocznym niewielkie.

Dla klimatów o przewadze niskich temperatur zewnętrznych, jedynie z epizodycznymi upałami, korzystniejszy będzie odwrotny układ asymetryczny, z dłuższymi ramionami przegród 2 na zewnętrznej stronie przeszklenia, ale w tej wersji nachylonych na zewnątrz oraz co najmniej jednej niskoemisyjnej powłoce 3, naniesionej na stronie zewnętrznej szyby lub folii środkowej (fig. 3).

Optymalny moduł czyli dystans pomiędzy opisanymi przegrodami 2 będzie w zależności od grubości całego przeszklenia. Dla standardowych szyb zespolonych o grubości cala (ok. 24 mm) lub nieco większej, dystans będzie się zawierał w granicach od 2 milimetrów dla ksenonu czy sześciofluorku siarki, ok. 3 milimetrów dla kryptonu do 4 milimetrów dla suchego argonu.

Struktura wypełniona układem przegród 2 może posiadać całkowitą grubość równą nawet grubości muni (od 15 do 40 cm) w który przeszklenie będzie zabudowane, może też stanowić jeszcze grubsze (nawet do 180 cm) wypełnienie przestrzeni w systemie podwójnych, oszklonych fasad.

Opór cieplny takiej przegrody 2 będzie proporcjonalny do jej całkowitej grubości, ponieważ po radykalnej redukcji konwekcji i radiacji podstawowym mechanizmem przewodzenia ciepła pozostanie kondukcja w warstwie gazu, dlatego korzystne jest stosowanie jak najgrubszych przegród 2.

Dla takich skrzynkowych, grubych przeszkleń optymalny moduł (dystans) zestawu nachylonych przegród 2 będzie wynosił od 4 do 6 milimetrów (dla ksenonu czy sześciofluorku siarki) 8-10 milimetrów (dla kryptonu), do 16 milimetrów (dla suchego argonu i suchego powietrza). Podstawowym wariantem obniżającym ciężar przeszklenia jest zastosowanie rusztowania z poziomych włókien zamocowanych i napiętych na ramkach pionowych przeszklenia, i w takim układzie cały zestaw będzie bardziej elastyczny, a poszczególne przegrody 2 mogą stanowić jeden pas materiału w obu komorach. Innym wariantem eliminującym środkową wewnętrzną szybę jest zastosowanie naprężonej folii, zwłaszcza dla sigmoidalnego układu przegród 2, ewentualnie arkusza ultracienkiego szkła.

Wewnętrzne przegrody 2 mogą stanowić zestaw arkuszy o jednakowej budowie, mogą także zostać wykonane jako różne typy membran zamontowane w odpowiednich sekwencjach. Takie sekwencyjne moduły mogą być korzystniejsze z punktu widzenia optymalizacji termiczno-optycznej i ekonomicznej, nie wszystkie arkusze muszą posiadać wyrafinowane technologicznie i tym samym kosztowne powłoki niskoemisyjne lub stanowić selektywne zwierciadła dla podczerwieni. Z powodu podstawowych ograniczeń fizycznych powłoki i zwierciadła będą, niezależnie od konstrukcji zawsze pochłaniać, rozpraszać i odbijać znaczącą ilość promieniowania widzialnego. Dla zablokowania wymiany promienistej wystarczy zamontować kilka niskoemisyjnych luster podczerwieni w komorze szyby zespolonej, a pozostałe przegrody wykonać jako ultracienkie, kompozytowe bariery dla konwekcji, np. z nanowłóknin, siatek czy pasm nanorurek węglowych, korzystnie teksturowanych i całkowicie przezroczystych dla światła widzialnego i o wysokiej transmisji dla średniej podczerwieni.

Dla tak grubej, niestandardowej szyby zespolonej wypełnionej zestawem nanomembran ramka powinna być wykonana z nieprzenikliwego dla gazu i pary wodnej, sztywnego, ale cienkiego materiału, aby nie tworzyły się w tym miejscu dodatkowe mostki cieplne. Struktura ścianek powinna być wielowarstwowa, bariera gazowa może być wykonana z metalizowanej lub napylanej tlenkami barierowej folii polimerowej lub folii ze stali nierdzewnej, najkorzystniej falowanej równolegle do szyb, (fig. 6A, B) dla wydłużenia drogi kondukcyjnego przepływu ciepła i wzmocnienia ramki. Warstwa usztywniająca ramkę może mieć postać płyty ze sztywnej pianki polimerowej, ewentualnie struktury ulowej typu plastra miodu.

Napełnianie gazem hermetycznej komory szyby zespolonej o ekstremalnej grubości powinno odbywać się przez wbudowany system gazoszczelnych przewodów, umożliwiających ponadto okrePL 226 049 B1 sową wymianę zawartości wnętrza szyby na czysty, całkowicie osuszony gaz, z równoczesnym usuwaniem zużytego gazu, zawilgoconego i zanieczyszczonego powietrzem atmosferycznym, przenikającym w drodze dyfuzji. System ten pełni równocześnie rolę łącznika z zewnętrznym zasobnikiem absorbentu pochłaniającego wilgoć i zewnętrznym kompensatorem zmian objętości gazu, zachodzących w wyniku zmian temperatury lub ciśnienia atmosferycznego. Taki zewnętrzny kompensator np. w formie wiotkiego mieszka ze stali nierdzewnej (w układzie podobnym do mieszkowego respiratora oddechowego) jest zresztą niezbędny w przypadku sztywnej komory szyby zespolonej. Ze względu na znaczną grubość, a co za tym idzie objętość gazu wypełniającego wnętrze, siły mechaniczne związane ze zmianą ciśnienia gazu mogą łatwo doprowadzić do jej zniszczenia (fig. 6).

We współczesnym budownictwie obserwujemy zdecydowany odwrót od grubych okien skrzynkowych, wypełniających znaczną część wnęki okiennej, z drugiej jednak strony nastąpił niebywały postęp w dziedzinie konstrukcji tak zwanych podwójnych oszklonych fasad. Fasady takie (double-skin faęade) kontrolujące wymianę ciepła i światła z otoczeniem budynku osiągnęły w niektórych nowo projektowanych budowlach nawet 3 metry grubości, tym samym stwarzając przestrzeń dla zabudowania omawianych wieloprzegrodowych przeszkleń nawet o ekstremalnej grubości (fig. 8).

Dla zestawów przegród 2 o znacznych wymiarach i małych dystansach problemem może być tendencja do ich zlepiania się pod wpływem sił Van der Waalsa i grawitacji, dlatego korzystne będzie utrzymywanie ich w dystansie i równolegle do siebie przez dodatkowe, naprężane łączniki 4 z niewidocznych wytrzymałych nanowłókien, prostopadłe do zestawu przegród 2 lub szyb, mocowane na szybach zewnętrznych (fig. 4).

Alternatywnym rozwiązaniem jest nadanie przegrodom 2 jednoimiennych ładunków elektrostatycznych np. poprzez zastosowanie materiału o własnościach elektretu lub połączenie do źródła stałego napięcia.

Poszczególne przegrody 2 mocowane do tafli 1 mogą dochodzić do ich powierzchni sigmoidalnie lub tangencjalnie (fig. 4). Sigmoidalny, pozbawiony krawędzi i załamań, gładki przebieg przegród 2 eliminuje widoczne gołym okiem nieciągłości optyczne na liniach klejenia, zakłócające bieg promieni, dzięki czemu znikają zaburzenia obrazu widocznego przez przeszklenie. Warunkiem skuteczności optycznej takiego rozwiązania jest dostateczna cienkość przegród 2 (poniżej 10 mikrometrów), skuteczna powłoka 3 i zastosowanie odpowiedniego optycznego kleju w cienkiej warstwie (typu funkcjonujących już na rynku folii okiennych produktów low distortion dear adhesive np. firmy CPFilms, czy typu aktywowanego wilgocią dry dear adhesive).

Wariantowo można zastosować warstwę kleju utwardzanego światłem ultrafioletowym lub termicznie, rozprowadzanego lub napylanego równomiernie i bardzo cienko, najkorzystniej poniżej 1 mikrometra. Dla przytwierdzenia folii do szyby można zastosować także suchy system bezklejowy, tak zwaną elektrostatyczną folię adhezyjną. Klasyczne, aktywowane naciskiem (pressure-sensitive) lepkie kleje np. akrylatowe najczęściej stosowane do samoprzylepnych folii, w wypełnionej suchym gazem i nagrzewanej słońcem komorze szyby zespolonej wysychają i po krótkim czasie folia będzie się odwarstwiać, ponadto gruba i nierównomierna warstwa lepkiego kleju często deformuje obraz widoczny przez folię. Dla takiej wersji wykonania niecelowe staje się zaopatrzenie wewnętrznej strony szyb w powłoki niskoemisyjne. Zastosowanie zwykłego szkła float nie pogorszy jednak znacząco na ich własności radiacyjnych bo szyba pokryta zostanie w całości membranami zaopatrzonymi we własne efektywne powłoki niskoemisyjne.

Takie przezroczyste przegrody 2 wyznaczają wiele odizolowanych od siebie, wypełnionych gazem komór. Z punktu widzenia struktury materiałowej możliwe jest zastosowanie wielu odmian przegród 2.

Przezroczyste przegrody 2 mogą mieć postać gładkich membran o grubości nie większej niż 0,1 mikrometra, najkorzystniej poniżej 10 nanometrów, dzięki czemu będą niewidoczne gołym okiem w wyniku destrukcyjnej interferencji, a także praktycznego braku absorpcji, załamywania i rozpraszania światła widzialnego. Nie dysponujemy obecnie homogenicznym, przezroczystym materiałem o dostatecznej wytrzymałości mechanicznej aby taką samonośną membranę rozpiąć i utrzymać bez uszkodzenia wewnątrz przeszklenia, musi być ona wykonana jako struktura kompozytowa, np. wzmacniana szkieletem z nanorurek węglowych lub nanowłókien szklanych.

Przezroczyste ścianki mogą mieć postać membran o grubości 1-10 mikrometrów zaopatrzonych w warstwę przeciwodblaskową lub/i powłokę niskoemisyjną.

Przezroczyste ścianki mogą posiadać relief w formie regularnego układu występów i wgłębień o rozmiarach znacznie poniżej długości fali światła widzialnego (moth-eye - Fig. 9C).

PL 226 049 B1

Wewnętrzne ścianki mogą mieć postać filmu (membrany) z transparentnego nanoporowatego materiału, w szczególności aerożelu, na przykład krzemionkowego, o bardzo niskim współczynniku załamania i odbicia światła.

Optymalnym, ale bardzo zaawansowanym technologicznie rozwiązaniem nanoporowatej membrany jest opisany poniżej wiotka ale naprężana membrana (nanosiatka), o ażurowej wielowarstwowej konstrukcji, złożona z kliku rodzajów nanowłókien. Takie nanowłókniste porowate materiały o niskiej gęstości, zwłaszcza tworzone z nanorurek węglowych określane są w literaturze dotyczącej nanotechnologii jako aerożele a nawet aerozole.

Wszystkie odmiany litych przegrów 2, ciągłych lateralnie, mogą być wykonane z materiału organicznego. W takim przypadku mają one postać naprężanych przy montażu (np. termokurczliwych czy typu stretch) elastycznych membran (folii). Najkorzystniej jest wykonać membrany z materiału maksymalnie przezroczystego dla promieniowania podczerwonego o długości fali od 1-15 mikrometrów i tym samym o bardzo niskiej emisyjności w tym zakresie widmowym i równocześnie przezroczystego w zakresie widzialnym np. z polimerów LLDPE, HDPE lub TPX (Polymethylpentene).

Przegrody 2 mogą być też wykonane wariantowo z materiału nieorganicznego. W takim przypadku mają one postać sztywnych cienkich arkuszy z materiału nieorganicznego, całkowicie odpornego na starzenie, nagrzewanie, utlenianie i fotodegradację, amorficznego lub nanokrystalicznego, np. z tlenków czy azotków krzemu.

Najkorzystniejsze dla konstrukcji nieorganicznej membrany będzie zastosowanie arkuszy ultracienkiego, krzemianowego szkła niskożelazowego, o grubości poniżej 50 mikrometrów, bezbarwnego i słabo absorbującego światło widzialne. Takie rozwiązanie „mikromembrany” jest racjonalne i korzystne termicznie tylko dla przeszkleń o znacznej grubości, z racji wysokiego w porównaniu z polimerami przewodnictwa cieplnego szkła, wprowadzającego dodatkowe mostki cieplne wewnątrz szyby zespolonej.

Jeszcze cieńsze nanomembrany nieorganiczne mogą zostać wykonane jako prefabrykowane w odrębnym procesie i wmontowane w szybę lub wariantowo od momentu wytworzenia zintegrowane ze ścianami szyby zespolonej np. jako osadzona na gładkim, ale łatwo usuwalnym podłożu warstwa prekursora (metoda sol-żel), następnie spiekanego lub kalcynowanego termicznie lub powłoka napylana np. za pomocą magnetronu na podłożu rozpuszczalnym w wodzie np. hydrolitycznym szkle krzemianowym o prostym składzie tlenkowym (np. SiO2/K2O) lub łatwo rozpuszczalnym polimerze, ewentualnie na innym materiale wytrawialnym gazem stosowanym w przemyśle półprzewodnikowym. Niewiele jest nieorganicznych materiałów przezroczystych dla średniej podczerwieni i dla światła widzialnego mających własności mechaniczne wystarczające do wykonania nanomembrany i utrzymania jej przez lata bez uszkodzeń. Jednak znikoma grubość skutkuje niską emisyjnością, nawet dla materiałów o znaczącej absorpcji w tym zakresie widmowym, ale zarazem najbardziej odpowiednich mechanicznie do wykonania nanomembrany np. szkłotwórczych, tlenkowych.

Takie nieorganiczne sztywne i kruche nanomembrany, trudne do montażu i naprężenia, mogą zostać zmodyfikowane jako rozciągliwe, elastyczne (stretch) i zarazem niskorefleksyjne, poprzez nadanie im nanoreliefu (corrugated) typu moth-eye (fig. 9C) i ewentualnie osadzone na wzmacniającym, naprężonym szkielecie z nanowłókien o znacznej wytrzymałości, najlepiej szklanych lub nanorurek węglowych.

Z punktu widzenia własności optycznych przegród 2 możliwe jest zrealizowanie kilku wariantów wykonania:

Przegrody 2 mogą być zaopatrzone niskoemisyjną powłoką 3 o bardzo małym współczynniku absorpcji w zakresie promieniowania widzialnego.

Wariantowo przegrody 2 jako całość mogą mieć własności struktury zwierciadlanej dla zakresu promieniowania podczerwonego dla długości fali od 1-15 mikrometrów, równocześnie muszą być w pełni przezroczyste i nie wykazywać zamglenia (haze) dla promieniowania widzialnego (współczynnik całkowitej transmisji większy niż 95%).

Taka płaska membrana, wariantowo lita lub wykonana jako naprężana membrana (nanosiatka) o ażurowej konstrukcji w istocie stanowić będzie z punktu widzenia funkcjonalnego przegrodę ograniczającą konwekcje i zarazem zwierciadło dla średniej podczerwieni. Takie zwierciadła membranowe mogą być wykonane według wynalazku wariantowo jako przegrody ażurowe lub lite.

Naprężana membrana (nanosiatka) o ażurowej konstrukcji, złożona jest z trzech zintegrowanych warstw (fig. 5B), pełniących odmienne i komplementarne funkcje.

PL 226 049 B1

Pierwszą jest warstwa szkieletu nośnego z bardzo wytrzymałych mechanicznie ale elastycznych, rozciągliwych nanowłókien grubości 20-100 nanometrów, przezroczystych w świetle widzialnym, (fig. 5F). Aby uniknąć mechanicznego uszkodzenia, rozdarcia czy oderwania od szyby, naprężona membrana powinna być możliwie elastyczna ze względu na częste deformacje całego przeszklenia pod wpływem zmian temperatury, ciśnienia atmosferycznego, obciążeń mechanicznych, parcia wiatru etc. Nanowłókna szkieletu winny być wykonane najkorzystniej z polimeru termokurczliwego (np. poliestru PET), ewentualnie dostępnego już obecnie komercyjnie regenerowanego, nasycanego solami metali białkowego jedwabiu z jedwabników czy też elastomeru.

W innym wariancie wykonania można zastosować siatkę z ekstremalnie wytrzymałych ale nierozciągliwych nanowłókien, najkorzystniej (i) ze szkła tlenkowego, (ii) wykonanych z UHMWPE (ultrahigh molecular weight polyethylene, włókien znanych pod handlową marką Dyneema® czy Spectra®), lub (iv) nanowłókien celulozowych przyjaznych dla środowiska czy wreszcie (iii) węglowych nanorurek). Niezbędną elastyczność nanosiatki może zapewnić odpowiednie uteksturowanie takich wytrzymałych, ale słabo rozciągliwych włókien. Można to zrealizować poprzez nadanie, w procesie wytwarzania, poszczególnym monofilamentom formy spiralnej helisy czy wężyka (fig. 5 I).

Wariantowo można także nadać całym wiązkom nanowłókien formę elastycznej przędzy (stretch) czy pasm (roving) skręconych i sfalowanych, w rodzaju nano-Lycry® (fig. 5G i H). Teksturowane, elastyczne włókna czy pasma są także korzystniejsze optycznie i aerodynamicznie, nie powodują makroskopowo widocznych linowych refleksów, słabiej polaryzują, mniej rozpraszają i uginają dyfrakcyjnie światło w porównaniu z regularnymi siatkami z prostych włókien, ponadto jako bardziej chropowate silniej tłumią niekorzystny przepływ gazu. Przykładem optycznej efektywności takiej nieuporządkowanej geometrii są nowoczesne szyby przednie samochodów, które mają wbudowany s ystem ogrzewania w formie siateczki równoległych, cienkich (nawet 10 mikrometrów) wolframowych przewodów, praktycznie niewidocznych dla kierującego pojazdem. Ta iluzja optyczna wynika właśnie z intencjonalnie nieregularnego, sinusoidalnego czy spiralnego przebiegu poszczególnych drucików. Jeśli ich odstępy od siebie są mniej więcej dziesięć razy większe od ich średnicy, mogą być widoczne tylko jeśli patrzy się na szklaną szybę z bardzo bliskiej odległości.

Inspirujące technologów nici pajęcze w procesie przędzenia pajęczyny są przez niektóre gatunki łączone w superelastyczne, teksturowane pasma (fig. 5H). Elastyczna nanosiatka proponowana w niniejszym rozwiązaniu ma także swój po części funkcjonalny, makroskopowy odpowiednik w produkcie rynkowym jakim jest elastyczny mikrofalowy ekran elektromagnetyczny EMI z przędzy teksturowanej stretch typu Lycra® pokrytej srebrem - „Stretch Conductive Fabric” firmy Responsive Textiles Lab.

Warstwa nanosiatki przewodzącej, rozpięta na tym szkielecie nośnym, (fig. 5 C-E) wariantowo (i) metalowej (najkorzystniej z Ag lub Au), (ii) siatki na nanorurek węglowych, ewentualnie metalizowanych (iii) siatki z dielektryka (organicznego lub nieorganicznego), metalizowanej tymi metalami lub (iv) siatki tlenkowej przewodzącej (ITO czy domieszkowanego ZnO) czy wreszcie z (v) przewodzącego polimeru. Struktura ta o funkcji „klatki Faradaya” czy filtru siatkowego dla promieniowania elektromagnetycznego w zakresie średniej podczerwieni, powinna mieć postać najkorzystniej regularnej, wariantowo przypadkowej sieci z przewodzących nanowłókien czy nanodrutów o grubości 20-40 nanometrów. Siatka o module 300-1000 nanometrów, w formie oczek najlepiej pierścieniowych okrągłych, stykających się, wariantowo kwadratowych lub heksagonalnych (chicken wire), będzie pełnić rolę selektywnego spektralnie, odbiciowego filtru odcinającego czyli „gorącego” zwierciadła (hot mirror) dla średniej podczerwieni, wykazującego jednocześnie znikome odbicie, dyfrakcję i absorpcję dla światła widzialnego. Wzór stykających się ze sobą okrągłych nanopierścieni, aczkolwiek najtrudniejszy do wykonania, ma najkorzystniejsze własności optyczne, dla danego pokrycia najefektywniej odbija promieniowanie długofalowe i zarazem zapewnia najmniejszą dyfrakcję i polaryzację światła widzialnego.

Korzystne optycznie będzie pokrycie przewodzących nanowłókien powłoką anty-refleksyjną, na przykład z polimeru, najlepiej przewodzącego, dodatkowo umożliwiającego zlepienie z sobą nanowłókien np. zestawów wątku i osnowy siatki przewodzącej nietkanej, wykonanej w układzie kwadratowym czy przypadkowym, nanowłókninowym, i przytwierdzenie jej do wzmacniającego szkieletu. Kluczowe jest przy konstruowaniu takich siatkowych zwierciadeł dla średniej poczerwieni unikanie zjawiska rezonansu plasmonów lub plasmonowych polaritonów przebiegających po powierzchni przewodnika jako tak zwane fale powierzchniowe (evanescent waves) wzbudzane padającym promieniowaniem. W szczególnych przypadkach dla nanosiatek z przewodnika, dla konkretnych geometrii wzoru i roz12

PL 226 049 B1 miarów oczek zjawisko to może spowodować anomalnie wysoką transmisję, czyli niekorzystne „przeciekanie światła” w zakresie podczerwieni przez lustro.

Warstwy pokrywającego i dogęszczającego welonu z nanowłókien (nanowłókniny) grubości 5-25 nanometrów, przezroczystych w świetle widzialnym, korzystnie z przyjaznych dla środowiska nanowłókien czy fibrilli celulozowych typu nanowąsów (vickers). Ponieważ rozmiary warstwy przyściennej dla włókien wielokrotnie przewyższają ich średnice, nanosiatka mimo małego pokrycia powierzchni welonu włóknami (< 5%) znakomicie utrudnia przepływ gazu pomiędzy sąsiednimi komorami i tym samym rozwój konwekcji wewnątrz całości przeszklenia. Możliwe jest także pokrycie welonu przezroczystą, polimerową lub nieorganiczną nanowarstwą o grubości korzystnie poniżej 10 nanometrów, w roli błony sklejającej nanowłókna welonu i uszczelniającej pory. Taka blokująca przepływ gazu błona, całkowicie niewidoczna na skutek destrukcyjnej interferencji będzie jednak tak delikatna mechanicznie, że nie może stanowić odrębnej, samonośnej struktury, ale musi zostać osadzona na wzmacniającym szkielecie z nanowłókien. Można taką błonę osadzić, np. z monowarstwy LB wytworzonej na powierzchni cieczy (Langmuir-Blodgett monolayer film) czy sedymentowanej lub osadzanej dielektroforetycznie z delaminowanych, eksfoliowanych chemicznie, płatkowych elementarnych nanokryształów krzemianów warstwowych typu smektytu lub wermikulitu, ewentualnie grafenowych nanoarkuszy.

Proponowane rozwiązanie pełnić będzie z punktu widzenia mechanicznego podobną funkcję jak standardowy siatkowy wspornik na ultracienką błonę (np. osadzaną z powierzchni wody), stanowiącą podłoże preparatów w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM). Opisano sposób osadzania samonośnej błonki węglowej do obserwacji w TEM o rekordowo niskiej grubości, poniżej 2 nanometrów. Podobną, hierarchiczną strukturę ma dwuwarstwowa konstrukcja nowoczesnych filtrów absolutnych, z delikatną nanowłóknistą membraną, nanoszoną w procesie elektroprzędzenia na wytrzymałą, znacznie masywniejszą siatkę poliestrową czy z włókien szklanych. Taki kilkuwarstwowy, ażurowy, naprężony welon z punktu widzenia optycznego zachowywał się będzie jak pojedyncza jednostronna powłoka niskoemisyjna na arkuszu folii (gorące zwierciadło). W opisanym rozwiązaniu będzie on samonośną (free standing, suspended, substrateless) strukturą, pozbawioną podłożowej folii. Co istotne, będzie on jednakowo skuteczny dla promieniowania podczerwonego padającego z obu przeciwnych stron. Współczynnik odbicia i absorpcji dla promieniowania w zakresie widzialnym będzie natomiast znakomicie niższy niż dla powłoki niskoemisyjnej typu gorącego zwierciadła, naniesionej na lite podłoże, nieco wyższa może być natomiast dyfuzja i dyfrakcja światła widzialnego.

Dla powłoki niskoemisyjnej nieciągłej np. wykonanej jako siatki z nanodrutów tlenków przewodzących, ale nanoszonej na lite podłoże (jak we wspomnianym rozwiązaniu firmy Ravenbrick), refleksyjność i absorpcja dla światła widzialnego będzie jednak wyższa niż dla proponowan ego ażurowego nanowelonu, bo odbicie zachodzi również od podłoża na całej powierzchni litej płyty, a także od jej przeciwnej powierzchni. W przypadku wprowadzonej w niniejszym wynalazku ażurowej, samonośnej nanosiatki całkowite pokrycie nanowłóknami będzie niższe niż 5%, większość powierzchni stanowią oczka wypełnione nie odbijającym, nie absorbującym i nie rozpraszającym, unieruchomionym gazowym medium, stanowiącym w sensie aerodynamicznym w całości warstwę przyścienną. Natomiast rozpraszanie na szkielecie z nanowłókien będzie bardzo niskie z powodu ich intencjonalnie dobranej, niewielkiej średnicy, znacznie poniżej długości fali światła widzialnego (380-650 nanometrów) i ewentualnego nałożenia na grubsze włókna powłok antyrefleksyjnych.

Dla wersji wykonania membran jako litych arkuszy konstrukcja zwierciadła może być zrealizowana wariantowo jako:

- stos wielowarstwowy dielektryczny (dielektryczne zwierciadło interferencyjne) selektywnie odbijające promieniowanie podczerwone. Szczególną odmianą takiego zwierciadła może być stos oddzielonych nanoszczelinami/nanospacerami membran z materiału przezroczystego zarówno dla podczerwieni jak i światła widzialnego, o grubości odpowiedniej dla uzyskania interferencyjnego odbicia w zakresie podczerwieni, natomiast przepuszczające bez zakłóceń światło widzialne. Można to uzyskać poprzez dobranie odpowiedniego modułu grubości stosu nanomembran i nanoszczelin pomiędzy nimi oraz zaopatrzenie nanomembran w nanostrukturalne powłoki antyrefleksyjne nanoporowate, gradientowe lub typu motheye, (fig. 9A), efektywne dla światła widzialnego, natomiast nieefektywne dla średniej i dalekiej podczerwieni. Dla fal elektromagnetycznych w zakresie kilkunastomikronowej długości fali promieniowania podczerwonego rozmyta submikronowo granica pomiędzy ośrodkiem gazowym i polimerem będzie nieomal płaska i ostra;

PL 226 049 B1

- system retro-refleksyjny oparty na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła podczerwonego (relief warstwy typu „cube corner” albo warstwa sferycznych retro-reflektorów fig. 9C). Elementy odbłyśnikowe (retro-refleksyjne) wchodzące w skład zwierciadła winny posiadać maksymalnie wysoki współczynnik załamania światła dla podczerwieni i być pokryte powłokami przeciwodblaskowymi typu „moth-eye”. Powłoki te będą efektywne dla światła widzialnego, ale nie powinny wpływać istotnie na charakterystykę odbiciową w zakresie niskotemperaturowego promieniowania podczerwonego, o długości fali 5-15 mikrometrów;

- zwierciadło dyspersyjne, „matowe” dla podczerwieni, oparte o zasadę działania filtru Christiansena. Zwierciadło takie zbudowane jest z warstwy matrycy/spoiwa zawierającego rozproszone elementy dyspergujące i zawracające światło w kierunku źródła w zakresie podczerwieni, ale nie rozpraszające czyli niewidoczne przy obserwacji w zakresie światła widzialnego. Efekt ten można osiągnąć dobierając materiał o zbliżonych współczynnikach załamania dla światła widzialnego, ale odmiennych dla średniej podczerwieni lub zaopatrując powierzchnię graniczną między ziarnami a spoiwem w warstwę przeciwodblaskową skuteczną dla promieni widzialnych (fig. 9B). Podobną, selektywną funkcję może pełnić chaotyczny czy regularny relief, stanowiący powierzchnię graniczną pomiędzy dwoma ośrodkami o różnym współczynniku załamania dla światła podczerwonego;

- półprzepuszczalne zwierciadło z jednowarstwowego dielektrycznego filmu, np. z tlenku tytanu, lub diamentopodobnego amorficznego węgla CDV, mossanitu czy polikrystalicznego diamentu, przezroczystego dla światła widzialnego. Odbicie dielektryczne, dodatkowo obniżające emisyjność przegrody, jest w tym wypadku związane z wysokim współczynnikiem załamania światła tych materiałów dla podczerwieni, jednocześnie zwierciadło musi zostać pokryte powłoką antyrefleksyjną efektywną dla światła widzialnego np. typu gradientowo nanoporowatego lub moth-eye.

Claims (24)

1. Ustrój izolacji termicznej gazowej przeszkleń z dwukomorowymi szybami zespolonymi, składającymi się z dwóch zewnętrznych przezroczystych tafli w postaci szyb, pomiędzy którymi znajduje się przezroczyste medium gazowe i niewidoczne przezroczyste elementy, znamienny tym, że przezroczyste przegrody (2) mają przekrój V-kształtny o kącie rozwarcia od 80 do 100 stopni, korzystnie 90 stopni, i tworzą zestaw wypełniający wnętrze przeszklenia, przy czym płaszczyzna wyznaczona dwusieczną kąta rozwarcia jest równoległa do tafli (1), przegrody (2) są wzajemnie równoległe względem siebie zaś linie styku przegród (2) z taflami (1) są poziome a ponadto we wnętrzu przeszklenia usytuowana jest niskoemisyjna powłoka (3) na tej powierzchni tafli (1), która jest skierowana w stronę strefy niższej temperatury, przy czym dystans pomiędzy przegrodami (2) zależny jest od rodzaju gazu i w przypadku przeszklenia o standardowej grubości od 16 do 36 milimetrów wynosi od 2 do 3 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 3 do 4 milimetry dla kryptonu, 4 do 5 milimetrów dla suchego argonu, a dla przeszkleń skrzynkowych, powyżej 15 cm grubości, dystans między poszczególnymi przegrodami (2) w zestawie wynosi od 4 do 6 milimetrów dla ksenonu i sześciofluorku siarki, 6 do 8 milimetrów dla kryptonu i 12-16 milimetrów dla suchego argonu i suchego powietrza.

2. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przeszklenie o grubości powyżej 15 centymetrów wykonane jest jako hermetyczna szyba zespolona z ramką ze sztywnej pianki polimerowej z wkładką z falistej folii ze stali nierdzewnej i zaopatrzona w system zewnętrznej kompensacji zmian objętości i ciśnienia w formie zewnętrznego mieszka ze stali nierdzewnej, połączonego przewodem z komorą szyby zespolonej.

3. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że zestaw przegród (2) usytuowany jest krawędzią ku dołowi przeszklenia.

4. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że zestaw przegród (2) usytuowany jest krawędzią ku górze przeszklenia.

5. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że we wnętrzu przeszklenia usytuowana jest środkowa tafla lub naprężona pionowo folia.

6. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przezroczyste przegrody (2) dochodzą do powierzchni zewnętrznych tafli (1) z którymi są spojone, tangencjalnie lub sigmoidalnie, a utrzymywane

PL 226 049 B1 są w dystansie i równolegle do siebie przez naprężane łączniki (4) z nanowłókien prostopadłe do zestawu lub zewnętrznych tafli (1), wariantowo przez nadanie elementom jednoimiennego potencjału elektrostatycznego.

7. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) mają postać naprężanych, termokurczliwych lub napinanych mechanicznie membran z materiału organicznego polimerowego lub białkowego.

8. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) mają postać sztywnych lub napinanych arkuszy z materiału nieorganicznego.

9. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) mają postać kompozytowego filmu z transparentnego aerożelu o niskim współczynniku załamania światła i niskim współczynniku odbicia, rozpiętego na wzmacniającym szkielecie z nanowłókien.

10. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) mają postać trójwarstwowych naprężanych nanosiatek o ażurowej konstrukcji, złożonej ze i) szkieletu nośnego z wytrzymałych mechanicznie elastycznych lub teksturowanych nanowłókien, ii) warstwy nanosiatki przewodzącej, korzystnie metalowej rozpiętej na szkielecie nośnym oraz iii) pokrywającego i dogęszczającego welonu z włókniny, zbudowanego z nanowłókien średnicy 5-25 nanometrów.

11. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) mają postać dwuwarstwowych naprężanych nanosiatek o ażurowej konstrukcji, złożonej ze i) szkieletu nośnego z wytrzymałych mechanicznie elastycznych lub teksturowanych nanowłókien, oraz ii) pokrywającego i dogęszczającego welonu z włókniny, zbudowanego z nanowłókien średnicy 5-25 nanometrów.

12. Ustrój według zastrz. 10, znamienny tym, że szkielet nośny ma postać elastycznej przędzy lub pasm nanowłókien o średnicy 20-100 nanometrów, przezroczystych w świetle widzialnym.

13. Ustrój według zastrz. 10, znamienny tym, że warstwa nanosiatki przewodzącej ma postać nanosiatki przewodzącej, metalowej (najkorzystniej srebro lub złoto), metalizowanej z rdzeniem dielektrycznym lub tlenkowej (Inidium-tin-oxide ITO, domieszkowany tlenek cynku ZnO), ewentualnie z nanowłókien (nanorurek) węglowych, wariantowo metalizowanych, o wzorze stykających się oczek o rozmiarach 300-1000 nanometrów, wariantowo: pierścieniowych, kwadratowych lub heksagonalnych (chicken wire), o nanowłóknach czy nanodrutach przewodzących pokrytych warstwą przeciwodblaskową.

14. Ustrój według zastrz. 10, znamienny tym, że pokrywająca i dogęszczająca warstwa z nanowłókniny zbudowana jest z nanowłókien o średnicy 5-25 nanometrów, korzystnie porowatych i przezroczystych w świetle widzialnym, ewentualnie zaklejonej i uszczelnionej przezroczystej, niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji nanomembrany polimerowej lub nieorganicznej o grubości 5-10 nanometrów.

15. Ustrój według zastrz. 11, znamienny tym, że pokrywająca i dogęszczająca warstwa z nanowłókniny zbudowana jest z nanowłókien o średnicy 5-25 nanometrów, korzystnie porowatych i przezroczystych w świetle widzialnym, ewentualnie zaklejonej i uszczelnionej przezroczystej, niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji nanomembrany polimerowej lub nieorganicznej o grubości 5-10 nanometrów.

16. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i mają po obu stronach relief w formie regularnego, najkorzystniej szachownicowego lub heksagonalnego (moth-eye), wariantowo przypadkowego, układu występów i wgłębień o rozmiarach poniżej długości fali światła widzialnego.

17. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i zaopatrzone są w warstwę przeciwodblaskową, pojedynczą lub w formie stosu wielowarstwowego.

18. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i są przezroczyste w zakresie widzialnym i przezroczyste w zakresie promieniowania podczerwonego.

19. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są przezroczyste w zakresie widzialnym i posiadają wysoki współczynnik odbicia w zakresie promieniowania podczerwonego.

20. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) stanowią dielektryczne zwierciadło interferencyjne dla średniej podczerwieni, złożone z litego stosu membran wielowarstwowych o naprzemiennie kontrastowym współczynniku załamania światła, lub oddzielonych warstwami gazowego medium o współczynniku n = 1, z nanostrukturalnymi powłokami antyrefleksyjnymi skutecznymi dla światła widzialnego.

21. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i każda z ciągłych przegród (2) stanowi układ retro-refleksyjny o całkowitym wewnętrznym odbiciu światła w zakresie średniej

PL 226 049 B1 podczerwieni, i zaopatrzona jest w powłoki odbłyśnikowe, przezroczyste i nie zakłócające biegu promieni dla światła widzialnego.

22. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i stanowią zwierciadło dyspersyjne matowe w zakresie średniej podczerwieni złożone ze stosu membran zawierających spoiwo z rozproszonymi elementami dyspergującymi.

23. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) są ciągłe i stanowią zwierciadło dla średniej podczerwieni przezroczyste dla światła widzialnego.

24. Ustrój według zastrz. 1, znamienny tym, że przegrody (2) stanowią nanoarkusze z materiału kompozytowego w formie membrany grubości poniżej 10 nanometrów, wariantowo z materiału polimerowego, białkowego, ze szkła lub spojonych w błonę delaminowanych minerałów ilastych, czy monoatomowych płatków grafenu, niewidocznej w wyniku destrukcyjnej interferencji, wzmacnianej siatką z naprężonych nanowłókien o grubości 20-1000 nanometrów.